Позиционирование двигателя


Позиционирование с высокой точностью - Конструктор Машиностроитель

Высокомоментные шаговые приводы задают точное положение даже массивному оборудованию

Устройства автоматизации в современной промышленности призваны оптимизировать производственные процессы, уменьшить риск брака вследствие человеческого фактора, ускорить и удешевить изготовление конечной продукции.В качестве исполнительных приводов таких устройств большое распространение получили шаговые двигатели.

Шаговый двигатель представляет собой машину, преобразующую цифровые электрические сигналы в угловое перемещение ротора, выполняемое с высокой точностью. Если говорить точнее, шаговый двигатель всегда работает совместно с блоком управления, который принимает и обрабатывает электрические сигналы и коммутирует фазы шагового двигателя.

Шаговые двигатели изготавливаются в различных массогабаритных исполнениях, с различными величинами углового шага и крутящими моментами. Самые малогабаритные модели (2 х 2 х 3 см) легко встраиваются в самые миниатюрные аппараты – мини-дозаторы, приводы стрелок индикации и приборы точной механики.

Модели средних габаритов используются в устройствах перемещения и позиционирования, например, для ориентирования деталей перед обработкой либо в конвейерах.

Большие высокомоментные шаговые приводы перемещают тяжеловесное оборудование в заданное положение, осуществляют открытие и закрытие дверей, протягивают рулоны бумаги, картона, ткани.

Даже при отсутствии обратной связи положение ротора двигателя всегда известно. Точность установки положения может достигать нескольких сотых долей градуса. Поэтому даже тяжеловесное и громоздкое оборудование можно позиционировать с высокой точностью.

Шаговый двигатель отрабатывает угловые перемещения с заданной точностью и фиксируется в нужном положении. Направление и величина перемещения задаются специальным блоком управления. Шаговые двигатели всегда работают в паре со специальными устройствами, которые получают внешние сигналы, в соответствии с которыми перемещают ротор двигателя с заданной скоростью в нужном направлении.

В промышленности используются различные варианты систем управления шаговыми двигателями. Чаще всего встречаются разделённые системы:

- одна часть отвечает за коммутацию фаз двигателя (т. е. подачу электропитания на обмотки) называется драйвером шагового двигателя;- другая часть определяет параметры движения – скорость и ускорение, направление вращения, величину углового перемещения – контроллер шагового привода.

Драйвер не только коммутирует фазы, но и при необходимости дробит основной шаг двигателя, позволяя уменьшить величину углового перемещения и тем самым повысить разрешающую способность электропривода. Современные системы, как правило, позволяют достичь довольно высокой точности перемещения, а значит, и позиционирования.

Контроллер, определяющий все характеристики работы двигателя, может быть реализован в виде отдельной специализи-рованной платы управления, встраиваемой в оборудование в виде блока с элементами управления для работы с оператором, либо вообще в качестве логического контроллера используется компьютер со специализированным программным обеспечением. Последний вариант особенно часто применяется в станках с ЧПУ.

Раздельное исполнение логической (контроллер или компьютер) и силовой (драйвер) частей дает возможность использовать шаговые двигатели в широком спектре задач. Однако зачастую бывает удобнее использовать более компактный совмещенный вариант, включающий в себя и драйвер, и контроллер. Программируемые многофункциональные контроллеры облегчают подключение, т. к. вместо трех частей исполнительной системы (шаговый двигатель – драйвер – контроллер) остаются только две. Еще одно преимущество таких многофункциональных устройств – более компактные размеры.

НПФ «Электропривод» разрабатывает как комбинированные блоки управления, представляющие собой драйвер и контроллер в едином корпусе, так и моноблочные драйверы и контроллеры шаговых двигателей.

Наталья Тамбовцева, специалист НПФ "Электропривод"

Фотография предоставлена НПФ "Электропривод

konstruktor.net

Решение задачи позиционирования

07.05.2013

1. Что такое позиционирование

Основными компонентами промышленной системы автоматизации являются контроллеры (ПЛК), модули позиционирования и панели управления.

При этом центральную роль играет модуль позиционирования. Этот модуль на протяжении многих лет совершенствовался инженерами-разработчиками мехатроники. Позиционирование означает движение и требует быстроты и точности. Чем быстрее происходят движения, тем выше производительность автоматизированной производственной линии. Поэтому необходимо сочетать высокую точность с высокой скоростью. Повышение скорости часто приводит к менее точному останову в требуемой позиции. Чтобы решить эту проблему, были разработаны специализированные модули для различных задач позиционирования.

Повышение производительности производственной установки означает увеличение выхода продукции за то же время. Тем самым можно сэкономить стоимость дополнительных установок, становящихся излишними, а также производственную площадь для этих установок и стоимость их обслуживания. Если в какой-либо установке еще никогда не возникали проблемы с позиционированием, это может быть признаком того, что эта установка эксплуатируется еще не достаточно эффективно и в ней имеется потенциал для повышения производительности. В этом случае следует рассмотреть возможность переоснащения установки системой управления, оптимизированной для соответствующих задач.

2. Варианты привода

Пневмопривод

Свойства и недостатки:

  • Необходим сжатый воздух, причем этот воздух должен распределяться по высококачественной системе трубопроводов
  • Ограниченный крутящий момент
  • Позиционирование по нескольким точкам может быть реализовано лишь с большими затратами
  • Затрудненное изменение позиций

Принцип действия пневмопривода

Двигатель с тормозом

Свойства и недостатки:

  • Простая позиционирующая механика
  • Плохая воспроизводимость настроек
  • Затрудненное изменение позиций (если для указания позиции остановки используются оптические датчики или выключатели)

Принцип действия двигателя с тормозом

Блок муфты и тормоза

Свойства и недостатки:

  • Возможно частое позиционирование 
  • Ограниченный срок службы диска муфты
  • Затрудненное изменение позиций (если для указания позиции остановки используются оптические датчики или выключатели)

Принцип действия тормоза с муфтой

Шаговый двигатель

Свойства и недостатки:

  • Простая позиционирующая механика
  • Проскок шагов двигателя при большой нагрузке
  • Низкая мощность двигателя
  • Неточное позиционирование при высокой скорости

Принцип действия шагового привода

Сервосистема постоянного тока

Свойства и недостатки

  • Точноe позиционирование
  • Затраты на техобслуживание щеток двигателя
  • Невозможны высокие частоты вращения

Принцип действия сервопривода постоянного тока

Стандартный преобразователь частоты со стандартным двигателем

Свойства и недостатки

  • Позиционирование с переменной скоростью при использовании быстрого счетчика
  • Неточное позиционирование
  • Низкий пусковой крутящий момент (более высокий крутящий момент возможен только при использовании специального преобразователя)

Принцип действия стандартного преобразователя частоты со стандартным приводом

Сервосистема переменного тока

Свойства и недостатки

  • Точноe позиционирование
  • Не требует техобслуживания
  • Адреса позиций можно легко изменять
  • Компактное исполнение при высокой мощности

Принцип действия сервосистемы переменного тока

3. Методы позиционирования

В принципе, имеется два способа управления деталью: регулирование частоты вращения и регулирование положения. Для сравнительно простых задач позиционирования достаточно регулировать частоту вращения с помощью преобразователя частоты и стандартного двигателя. Если предъявляются высокие требования к точности позиционирования, применима только сервосистема с улучшенной обработкой командных импульсов.

Регулирование частоты вращения

Установка с концевыми выключателями

На пути движения детали установлены два концевых выключателя. При прохождении первого выключателя скорость двигателя понижается. При прохождении второго выключателя двигатель отключается и активируется тормоз для останова детали. При такой задаче может быть применена недорогая система позиционирования без контроллера и модулей позиционирования.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±1,0...5,0 мм (это ориентировочное значение относится к низкой скорости 10...100 мм/с после прохождения первого концевого выключателя)

Схема позиционирования по концевым выключателям

Установка со счетчиком импульсов

Датчик импульсов (энкодер) для определения текущего положения встраивается в двигатель или устанавливается на вращающийся вал. Импульсы энкодера регистрируются высокоскорос-тным счетчиком. Как только счетчик достигает заданного состояния, соответствующего задан-ной позиции, деталь останавливается.

При такой системе целевую позицию можно легко изменять, так как не используются концевые выключатели.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±0,1...0,5 мм(Это ориентировочное значение действительно при небольших скоростях 10...100 мм/с.)

Схема позиционирования со счётом импульсов

В системах с регулированием частоты вращения, использующих преобразователь, точность целевой позиции не очень высока. В системах с концевыми выключателями нет обратной связи, т. е. контроллер не получает информацию о целевой позиции детали.

Система со счетом импульсов допускает переменную скорость движения. Целевая позиция может задаваться в виде состояния счетчика (с учетом частоты сигналов, возвращаемых от датчика импульсов двигателя).

Если деталь требуется перемещать с различными скоростями, то и в системе с концевыми выключателями, и в системе со счетчиком импульсов точность целевого положения ухудшается, что связано с замедленной реакцией на сигнал останова и инерцией вращения двигателя.

Для автоматического останова детали, приводимой в движение двигателем, всегда используйте сигнал положения от концевого выключателя или сигнал сравнительного счета. В общем случае должен также одновременно активироваться тормоз.

Из-за последействия двигателя и инерции масс деталь всегда немного "проезжает" целевую позицию. Путь, вызванный инерцией, не может быть точно определен. На следующей диаграмме он изображен в виде серой зоны.

На следующей иллюстрации показана задержка понижения скорости после сигнала останова. Область разброса задержки зависит от скорости движения детали.

Во многих случаях точность позиции остановки при останове с рабочей скорости не достаточна. Простейшим средством для повышения точности позиционирования является понижение рабочей скорости. Однако при этом понижается и производительность машины. Более эффективной мерой является понижение скорости лишь незадолго до позиции останова, как это показано на следующей диаграмме. В этом случае производительность машины остается почти прежней, а точность позиционирования улучшается.

Регулирование положения

Система с задающими импульсами

При регулировании положения с помощью задающих импульсов привод представляет собой серводвигатель переменного тока, вращающийся пропорционально количеству входных импульсов.

Количество импульсов, соответствующее пути перемещения, обрабатывается сервоусилителем. Сервоусилитель управляет серводвигателем переменного тока. В результате позиционирование происходит при высокой скорости пропорционально частоте импульсов.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±0,01...0,05 мм (Это ориентировочное значение действительно при небольших скоростях 10...100 мм/с.).

В этой системе с сервоусилителем и задающими импульсами вышеописанные недостатки регулирования частоты вращения в значительной степени устранены. На серводвигателе установлен энкодер, определяющий долю оборота серводвигателя (перемещение детали) на данный момент и передающий эту информацию в сервоусилитель. В результате этого сервоусилитель непрерывно и с высокой скоростью управляет движением детали в целевую позицию. В этой системе устранены такие явления как последействие двигателя и замедленная реакция на останавливающие сигналы, поэтому точность позиционирования существенно выше. Кроме того, для обычных операций позиционирования не нужны концевые выключатели и счет импульсов контроллером.

4. Позиционирование с использованием сервосистемы переменного тока

Позиционирование с помощью сервосистемы переменного тока также осуществляется различными способами. Обычно для такой системы нужен модуль позиционирования, сервоусилитель и серводвигатель. Такая конфигурация изображена на рисунке ниже.

В сервосистемах переменного тока новейшего поколения были улучшены следующие свойства:

  • Современные сервосистемы стали полностью цифровыми. Путем параметрирования их можно приспосабливать к самым разнообразным механическим и электрическим особенностям системы автоматизации. Тем самым обеспечивается простой ввод в эксплуатацию;
  • Малый момент инерции масс и повышенный крутящий момент двигателей позволяют работать при часто изменяющихся условиях эксплуатации, т. е. возможно разнообразное применение такой системы во множестве установок;
  • Новейшие сервосистемы оснащены функцией автонастройки. Эта функция автоматически определяет момент инерции масс системы и соответственно подстраивает коэффициенты усиления. Такая корректировка возможна даже при неизвестном моменте инерции масс;
  • Улучшено управление сервоусилителем на основе задающих импульсов модуля позиционирования - как в отношении точности синхронизации, так и в отношении точности частоты вращения и точности позиционирования;
  • Новые системы менее восприимчивы к наводкам помех, допускают более длинную проводку и при этом требуют меньшего объема работ по монтажу проводки.

Главными преимуществами сервосистемы переменного тока являются:

Компактность и малый вес 

Компактная и легкая система экономит место в авто-матизируемой установке. 

Надежностьв эксплуатации 

Для эксплуатации в суровых окружающих условиях необходимы выносливые системы.   

Простота обращения 

Работать с сервосистемами переменного тока проще, чем с гидравлическими системами. Кроме того, их можно более гибко приспосабливать для новых требований.   

Низкая стоимость эксплуатации 

Сервосистема переменного тока экономит для пред-приятия стоимость труда инженеров на многие годы вперед.

www.int76.ru

Оптимальное по быстродействию позиционирование двигателя постоянного тока (система третьего порядка) Текст научной статьи по специальности «Кибернетика»

УДК 681.513.52

Д.В. Козлов, инж., +7-910-162-08-70, MrKozlovDV@rambler.ru

(Россия, Тула, ТулГУ)

ОПТИМАЛЬНОЕ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (СИСТЕМА ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА)

Получен оптимальный по быстродействию закон управления двигателем постоянного тока с обмоткой независимого возбуждения, математическая модель которого учитывает демпфирование, связанное с вращением якоря. Закон представлен в аналитическом виде, что позволяет использовать его непосредственно, не прибегая к дополнительным вычислениям.

Ключевые слова: двигатель постоянного тока, задача позиционирования, оптимальное быстродействие, релейное управление, поверхность переключения, обращенное время.

Введение. Задача управления двигателем постоянного тока (ДПТ) является одной из распространенных в теории электропривода. В большинстве случаев применяется наиболее простое управление по якорной обмотке в предположении постоянства магнитного потока. Такой подход вполне обоснован для двигателей с независимой обмоткой возбуждения (ДПТ НВ), в которых можно обеспечить постоянный ток цепи статора, а также для двигателей небольшой мощности с постоянными магнитами (ДПТ ПМ).

Известные оптимальные по быстродействию законы управления ДПТ НВ (ДПТ ПМ) получены либо для простейшей модели второго порядка [1] при пренебрежении электромагнитной постоянной времени цепи якоря, либо третьего, в которой ее вклад учитывается приближенно методом малого параметра [4].

Постановка задачи. В данной работе ставится задача аналитического определения закона оптимального по быстродействию управления ДПТ НВ (ДПТ ПМ), математическая модель которого учитывает демпфирование, связанное с вращением якоря, и имеет следующий вид [6]:

dt

d^mm + в т = м - м С1)

Ja—m + Bm®m = Me ~Mr> dt

т dia , r i , e _ и a ла'а еа u max >

dt

где Me = kmia, ea = ke®m , Umax = ua ~ Ubr; t - время, с; фт - угол поворота вала двигателя, рад; - угловая скорость вала, рад/с; ia - ток в цепи якоря, A; ua - напряжение на обмотке якоря, В; ea - противоЭДС, наведен-

134

ная в обмотке якоря при его движении, В; Ubr - общее падение напряжения в узле "щетки - коммутатор" (для ДПТ HB), В; La - коэффициент самоиндукции обмотки якоря, Гн; Ra - активное сопротивление обмотки якоря, Ом; Bm - коэффициент демпфирования двигателя, связанный с вращением якоря, Н-м-с/рад; Ja- момент инерции вращающихся частей, при-

2 2

веденный к валу двигателя, кг-м /с ; Mr - момент сопротивления, приведенный к валу двигателя, Н-м; Me - вращающий электромагнитный момент двигателя, Н-м; ke = km = стФ - электромагнитный коэффициент, Вб; ст - конструктивная постоянная ДПТ, не зависящая от режима его работы, шт.; Ф - магнитный поток через один полюс в воздушном зазоре, Вб/шт.

Решение задачи управления. Метод фазового пространства. Для

решения задачи оптимального по быстродействию управления ДПТ HB (ДПТ ПМ) будем использовать метод фазового пространства, предложенный A.A. Фельдбаумом [5]. Согласно этому методу, в каждый момент времени t состояние объекта характеризуется вектором X. В результате приложения управляющего воздействия u = ± Umax происходит движение

объекта из начального положения X0 по некоторой траектории в фазовом пространстве. В момент времени t = T изображающая точка достигает заданного положения X.

Полагая Mr

0, запишем (1) в векторно-матричной форме: X = AX + Bu,

а коэффициенты

(2)

f 0 a12 0 1 f 0 ^

где X = ®m , A = 0 -a22 a23 , B = 0

l la V 0 -a32 _ a33,, V b3 ,

B,

к

к

I m т e

12 , a22 =~Г~, a23 , a32 = ~, a33 =

R

a

J,

a

J

a

L

a

L

b3 = —.

a

L

a

Можно показать, что объект (2) обладает свойством полной управляемости по Калману. Кроме того, будем считать, что он является объектом управления с полной информацией, у которого все составляющие вектора состояния доступны непосредственному измерению.

Все дальнейшие действия удобнее производить не в фазовом пространстве для вектора X, а в фазовом пространстве для погрешности

Е = X - X, причем в "обращенном" времени т = Т - ?, где X - вектор заданных координат, Т - оптимальное время. Очевидно, по окончании

переходного процесса Е ^ 0, а изображающая точка переходит из начала координат в исходное положение Хо.

Для единообразия последующих записей, следуя Фельдбауму [5], заменим Е на X, под которым будем понимать вектор погрешности.

Переход в новый базис. Определить оптимальный закон для

объекта (2) в базисе {А, Б} трудно, поэтому перейдем в базис |А, В|,

имеющий более простой вид.

Для начала вычислим собственные числа матрицы А:

=-(а22 + а33 "1^/2, ^2 =~(а22 + а33 + 1^/2, = 0, (3)

где ц = «22 - а33 ) - 4а23а32 .

Собственным числам (3) соответствуют собственные вектора

/ \ / л

VI

1

^1а23 (Л2 + а33 )

V 2

1 * 2

^ 2а231 (^1 + а33 )

Г1 ^

, ^3 = 0

V 0 .

(4)

Вектора записаны с учетом легко проверяемого равенства, имеющего вид 2 = «22«33 + «23«32 .

Так как бег (Р) Ф 0, где Р = (V2: Vз) - матрица, составленная из

собственных векторов, то существует преобразование подобия, приводящее матрицу А к диагональному виду [2]

А = diag (А,ь X 2, ) = Р_1АР. (5)

Тогда, вводя вектор состояния

Ъ = Р 1Х =

0 ц 1 (^1 + «33 ) ц 1«23

0 -Ц \21 2 + а33 ) ^21а23

-и -1

21<а33

21а23

X,

(6)

перепишем (2) в новом базисе |А, Б|:

Ъ = Аъ + Б и,

где А = А, Б = Р_1Б = л)"

Коэффициент

(7)

ц •

а23Ь3

а22а33 + а23а32

л • 1л • 1 1

А2 а23131

(8)

Определение линии переключения у/Рассмотрим движение изображающей точки в "обращенном времени" на первом интервале.

Учитывая, что Z'T = -Z't, запишем (7) в "обращенном" времени:

dzi

d I

dz'

2

d I

dz3 d I

-^izi -ц ,

= -^2Z2 + M- , = -цы.

(9)

Так как в момент т = 0 объект находится в начале координат, то начальные условия имеют следующий вид:

z1(1)(0) = 0, z 21)(0) = 0,

z31)(0) = 0,

(10)

где (1) обозначает порядковый номер интервала движения изображающей точки в "обращенном" времени.

Решением системы (9) при условиях (10) является

X0)

z|1) = РТ1цК[1Х2

z21) = 21

z® =-Лты(0),

-1 e~X 21 -1

ых

ы

(0)

(11)

Х0)

где - закон управления при нахождении изображающей точки в

начале координат.

Выразим из последнего уравнения системы (11) время т :

-1

т = -л"^31)

ы

(0)

(12)

-sign I z31)ы(0)

(13)

Взяв sign(...) от обеих частей равенства (12), получим

sign (т)

Очевидно также, что "обращенное" время т изменяется так же, как и "прямое" t: от 0 до T - и всегда является неотрицательной величиной.

Таким образом, для выполнения условия т> 0 при любых допустимых значениях z31) и ы(0) из (13) следует, что

ы (°) = -

(1)

(14)

при этом Umax = ua ~ Ubr .

Подставляя (12) и (13) в первое и второе уравнения системы (11), получим уравнения траектории движения изображающей точки на первом интервале

^ (z31) ) =

до/ z (i)

"Л %Umax

Д1)

-1

Д1)

-1

"Л 1^2Umax "(1)

(15)

Umax slgn (z3

(1)

Для определения линии переключения первого интервала \\f

(1)

можно использовать любое из равенств (15). Воспользовавшись вторым, получим

V(1)(-2,-3) = 22 е-^^™^3 -1 (23). (16)

При записи (16) опущены индексы номера интервала (1). Это объясняется тем, что изображающая точка движется по линии переключения,

(1) (1)

то есть их координаты совпадают: ¿2 = -2 и 23' = 23.

Определение поверхности переключения у/Для восстановления всей траектории движения изображающей точки в фазовом пространстве будем использовать метод припасовывания, согласно которому начало траектории последующего интервала является концом траектории предыдущего.

Начальные условия на втором интервале получаются из (11) с помощью замены т^-^, где 11 - длительность первого интервала "обращенного" времени, и имеют вид

(2) -1 Л -1л

z1 -ц Л^1 ^ 2

u

(0)

(2) -1л л-1

z32) =-Лт1 u(0).

2 Х1

-1

u

(0)

(17)

Решением (9) при начальных условиях (17) является система

'z{2) = 2(1) -u(0)) + e"*^ )и(0) -u(1)

(1) _u(0)U e"Х2)u(0) -u

(2) -1л л-1

z2 2

u 7 - u

(2) z3 =-Л

xu(1) + т1 u(0)

В соответствии с теоремой об и-интервалах [3] знак управляющего воздействия на втором интервале должен быть противоположен знаку на

первом, то есть и(1) =-и(0).

Тогда (18) примет вид

u

(1)

u

(1)

(19)

z{2) = -ц"1Л ^2 е(Т+Т1) - 2е+1

z22) = W21 Ге) - 2е2* + Г

z32) =-Л[т-Т1 ]u(1),

где u(1) = Umaxsign(у(1)) .

Так как изображающая точка на втором интервале движется по поверхности переключения у(2), то ее можно определить, исключив времена I и Т1 из системы (19).

Выразим из последнего уравнения (19) время i1:

, -1 (2) Т1 = т + л ¿3

u

(1)

1

Подставив (20) во второе уравнение (19), получим

z22) 21

-А,2 (2x+^_1z32)

/1)

-1

- 2е 2 т+1

u

(1)

(20)

(21)

Для упрощения последующих преобразований введем новые пере-

менные

а = е

-Л"1^ 2 z32)

Д1)

-1

, р = е 1, у = 1 -цл"1 ^Г1^ 2 ¿22)

u

(1)'

-1

(22)

с учетом которых выражение (21) перепишем в виде

а(32 -2р + у = 0. (23)

Из (22) следует, что Р> 0, поэтому решением (23) является

Р = а-1 (1 + 71 -ау). (24)

Подставляя в (24) значения а и Р из (22), логарифмируя и

упрощая, определим время т :

т = -\~2 ln(1 + 41 -ay)- л"1 z32)

u

(1)'

-1

(25)

Тогда время Т1 из (20)

Х1 (1 + V1 -ау|.

(26)

Наконец, зная значения т и Т1, из первого уравнения системы (19) получим искомую поверхность переключения второго интервала

V(2) (,z2,23) = - gl [g2g3 (g2 - 2) +1], где введены коэффициенты

(27)

g1 = 1л^11

g 2 =(1 + >11 -ау) 1

Ац^ 21

(28)

Л

g3 = е

У(1))

В (27) так же, как и при записи (16), опущены индексы номера интервала.

Переход в старый базис. Производя замену координат Ъ ^ X согласно (6), из (16), (27) и (28) с учетом (3), (8) и (22) после несложных

преобразований можно получить поверхность переключения у(2) для исходного объекта (2)

у(2) (ХЬ*2,Х3 ) = ^1^2 + ^2Х3 + А3 [/1/2 (/1 - 2) +1]sign (у(1))

у(1) ( ХЬ Х2, Х3 ) = А9 Х2 + Аю Х3 + А1 у(0) ( ХЬ Х2, Х3 ) = А12 Х1 + А13 Х2 + А14 Х3,

где функции /1, /2, /3 определены как

(0)

(29)

/1 ( Х1, Х2, Х3 )= 1- /2° 1 + ( А4 Х2 + А5 Х3 ) sign (у(1) |

Л/с

(1)

/2 (Х1, x2, Х3 ) = ехР ( А6 Х1 + А7 Х2 +

/3 (Х1, x2, Х3 ) = ехр ( А15Х1 + А16Х2 + А17Х3 )^п (^(0) ) Коэффициенты в (29), (30)

A

A3

a22 ~ a33 a22 + a33 - '

4a23b3Umax

a22 +a33

A =-

2a

23

An =

л( a22 + a33 M-)Umax 2a33

л( a22 + a33 +

тах

A _ (a33 ~ a22

A

11

A\i =

^(a22 + a33 _ 4a23b3Umax ц(а22 + a33 _ Ла33

A2 — A4 —

A — A8 -

A10 -

2a

23

a22 + a33 -ц)' (a33 -a22

л(a22 + a33 (a22 + a33

тах

2 Л Umax 2a23

тах

л( a22 + a33 2a23

^(a22 + a33

A

(31)

12

A

13 a23b3 '

(a22 + a33 +

A14 -

Л

15

A

17

2Л Umax (a22 + a33 + 2b3Umax

A

16

V(a22 -a33 )2 -4a23a32 :

С :

Л

a33 (a22 + a33 2 a23b3U max (a22 + a33 (a22 + a33 ' a23b3

Оптимальный по быстродействию запишется в виде

u = u(2) -"opt ~u ~

a22a33 + a23a32 закон управления объектом (7)

(2)

(32)

Так как в (29)-(32) Х1, Х2, Х3 являются координатами вектора погрешности Е, то для получения закона позиционирования ДПТ НВ (ДПТ ПМ) необходимо выполнить замену

X ^ X - X*, (33)

где X = (€ € Х3 )Т и Х*=|Х* 0 01 - текущее и требуемое положение объекта (2) соответственно.

Используя (6), из (33) можно получить вектор требуемого положения для объекта (7) в базисе |л, В|

P _1X*

i \ 0

0

v x1 J

Выводы. Полученный в работе закон управления является оптимальным по быстродействию и представлен в аналитическом виде. Он позволяет осуществлять высокоточное позиционирование ДПТ НВ (ДПТ ПМ), чья математическая модель учитывает демпфирование, связанное с вращением якоря.

Список литературы

1. Иванов В. А., Фалдин Н. В. Теория оптимальных систем автоматического управления. М.: Наука, 1981. 336 с.

2. Мирошник И. В. Теория автоматического управления. Линейные системы. СПб.: Питер, 2005. 336 с.

3. Павлов А. А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию. Метод фазового пространства. М.: Наука, 1966. 392 с.

4. Пупков К. А., Фалдин Н. В., Егупов Н. Д. Методы синтеза оптимальных систем автоматического управления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 502 с.

5. Фельдбаум А. А. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Наука, 1966. 624 с.

6. Krishnan R. Electric Motor Drives: Modeling, Analysis and Control. Prentice Hall, Inc., 2001. 626 p.

D.V. Kozlov

THE TIME-OPTIMAL POSITIONING OF DC MOTOR (A 3rd-ORDER SYSTEM)

The problem of synthesis a time-optimal control law for positioning DC motor with separate excitation winding is solved. Its mathematical model has a third order and takes into account the damping associated with armature's rotation. The law is presented in analytical form and can be used directly without additional calculations.

Key words: DC motor, positioning problem, time optimality, relay control, switching surface, reversed time.

Получено 03.10.11

cyberleninka.ru

Позиционирование головок.

В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво-метками на диске, которые могут иметь магнитную или оптическую природу. Для считывания магнитных меток используется дополнительная серво головка, а для считывания оптических - специальные оптические датчики.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик. Такой способ организации серво-данных носит название выделенная запись сервосигналов. Если серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется встроенная запись сервосигналов. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства.

Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того они позволяют производить небольшие радиальные перемещения "внутри" дорожки, давая возможность отследить центр окружности серво-дорожки. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Парковкой головокназывают процесс их перемещения в безопасное положение. Это - так называемое "парковочное" положение головок в той области дисков где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво - это специальная "посадочная зона" (Landing Zone). Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позиционер головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления линейным двигателем "отрывает" фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие способы фиксации - основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом вращением дисков. В запаркованном состоянии накопитель можно транспортировать при достаточно плохих физических условиях (вибрация, удары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя головками. В настоящее время на всех современных устройствах парковка головок накопителей производится автоматически внутренними схемами контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких дополнительных программных операций, как это было с первыми моделями.

Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям.

Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для использования пользователем. Как правило, руководства пользователя описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического адреса устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI - и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи).

studfiles.net

Как обеспечить точность углового позиционирования?

Угловой энкодер, установленный на двигатель с прямой передачей момента вращения

Энкодеры вокруг нас

Энкодеры – преобразователи линейных или угловых перемещений – неотъемлемая часть любых технических устройств, имеющих дело с прецизионными перемещениями. Будь то обрабатывающие станки с поворотными осями или оборудование для резки и проверки кремниевых пластин, устройства для поверхностного монтажа, гониометры или машины барабанного типа по изготовлению печатных форм (технология CTP): все они в той или иной форме используют круговые датчики или угловые энкодеры 1).

Требования, предъявляемые к рабочим характеристикам поворотных осей, определяются назначением устройств, в состав которых эти оси входят. В одном случае требуется высокая точность, в другом – повторяемость, высокое разрешение или низкая периодическая ошибка (ошибка подразбиения) для обратной связи по скорости. Обычно при попытке найти энкодер, который бы являлся золотой серединой с точки зрения технических характеристик, функциональности и стоимости, конструктор сталкивается с таким богатством выбора, что у него разбегаются глаза. Вместе с тем, крайне редко удается найти энкодер, который бы удовлетворял сразу всем требованиям.

Например, точность – отнюдь не единственная характеристика прецизионной автоматической системы позиционирования: не менее важны динамические характеристики этой системы. Безусловно, точность определения положения исполнительного узла является очень важной характеристикой, однако система, которая не в состоянии обеспечить надлежащую динамическую точность автоматического позиционирования, просто никому не нужна. Именно по этой причине все чаще и чаще находят применение двигатели с прямой передачей момента вращения, которые развивают большой крутящий момент и позволяют организовать сервоуправление, обеспечивающее высокую точность автоматического позиционирования даже при перемещении на очень малые углы. Эти двигатели отличаются превосходными динамическими характеристиками, поскольку нагрузка передается непосредственно на исполнительный элемент, вследствие чего отпадает необходимость в системе передачи, которая является источником люфтов, механического гистерезиса, ошибок зубчатого зацепления или растяжения ремня передачи. В связи с тем, что двигатели с прямой передачей момента вращения имеют безрамную конструкцию и большой внутренний диаметр, их практически невозможно связать с датчиком положения вала, в то время как установка „кольцевого“ энкодера (энкодера в форме кольца) никакой сложности не представляет. Более того, кольцевой энкодер, так же как и нагрузка, оказывается жестко связан с приводом, что исключает возникновение „люфтов“ в системе. Кроме того, в любой измерительной системе или системе с обратной связью предпочтительно, чтобы энкодер находился как можно ближе к приводу, так как это позволяет уменьшить вероятность возникновения резонансов, которые негативным образом влияют на технические характеристики системы сервоуправления, в особенности при увеличении ее полосы пропускания.

Угловой энкодер, установленный на двигатель с прямой передачей момента вращения

Иными словами, надежная обратная связь при позиционировании имеет первостепенное значение для любой технической задачи…

Угловой энкодер – это первое, что приходит в голову, когда заходит речь об обеспечении прецизионной обратной связи по углу поворота. Так же как и при выборе двигателя, конструктор подбирает оптимальный угловой энкодер, исходя из его реальных технических характеристик, имеющейся информации о факторах, которые влияют на точность энкодера, и четкого понимания того, каким образом можно компенсировать недостатки рабочих характеристик энкодера. В настоящей статье обсуждаются основные факторы, влияющие на рабочие характеристики угловых энкодеров, с тем, чтобы помочь конструкторам сделать правильный выбор при выборе энкодера для разрабатываемого ими оборудования.

При выборе углового энкодера было бы в высшей степени неразумно гнаться за высокой точностью и разрешением, упуская при этом из вида такие факторы как быстродействие энкодера, его размер, сложность установки и стоимость. На сегодняшний день промышленность выпускает линейные энкодеры, точность и разрешение которых достигают нескольких десятков нанометров.

Аналогично, разрешение угловых энкодеров может быть в диапазоне долей угловой секунды 2).

Когда идет разговор о требуемой точности, имеет смысл разделять такие понятия как разрешение, повторяемость и собственно точность.

  • В том случае, если нужна высокая повторяемость (как, например, в случае различного рода манипуляторов), способность устройства останавливаться при одном и том же сигнале счета энкодера является намного более важной характеристикой, нежели точность определения угловой координаты каждой точки останова.

  • Для обеспечения плавного непрерывного перемещения выбранные разрешение и точность должны быть такими, чтобы в пределах полосы пропускания привода подачи не возникало „шумов“.

  • Для приборов с медленным перемещением исполнительных узлов, таких, например, как астрономический телескоп, точное определение угла поворота гораздо важнее, чем максимальная частота выдачи данных.

  • Штатив вертолетной камеры переднего обзора должен обеспечить точность ручного позиционирования, поэтому в этом случае разрешение играет гораздо более важную роль, нежели повторяемость или абсолютная точность. В то же время важность точности многократно возрастает, если эта камера является частью системывооружения и используется для наведения.

  • Для быстродействующих систем приходится искать компромисс между точностью позиционирования и быстродействием. Энкодеры с большим интервалом между масштабными штрихами (с меньшим количеством штрихов) обеспечивают более высокую частоту выдачи данных, в то время как энкодеры с меньшим интервалом между штрихами (большим количеством штрихов), как правило, имеют более низкие ошибки интерполяции.

Таким образом, если определены технические требования к конструируемому устройству в целом, то задача выбора подходящего энкодера сильно упрощается.Тем не менее, несмотря на оптимистичные утверждения некоторых производителей, конструктивное обеспечение точности угловых перемещений редко бывает задачей, решаемой просто установкой энкодера, поэтому без понимания источников ошибок углового позиционирования добиться оптимальных технических характеристик всего устройства практически невозможно.

 

Источники угловых ошибок

На Рисунке 1 элемент, угловое перемещение которого нужно измерять/контролировать, закреплен на валу, установленном на двух подшипниках.Угловой энкодер со встроенным подшипником соединен с валом, а его считывающая головка установлена на неподвижном элементе конструкции. Чтобы энкодер был в состоянии отслеживать реальное угловое положение исполнительного элемента, должны выполняться следующие условия:

  1. В подшипниках, на которых установлены вращающиеся элементы системы, не должно быть радиального биения, которое неизбежно приводит к боковым смещениям осей вращения.
  2. Не должно быть деформаций кручения вала, соединяющего контролируемый элемент с энкодером.
  3. Конструкция соединительной муфты должна обеспечивать равенство угла поворота вала энкодера, имеющего отдельный подшипник, и угла поворота контролируемого элемента, установленного на своей системе подшипников. Иными словами, муфта должна обеспечивать передачу скорости без искажений.
  4. Расстояние между соседними масштабными штрихами должно быть неизменным вдоль всей шкалы энкодера, а его считывающая головка должна обеспечивать линейную интерполяцию (подразбиение) сигнала, соответствующего смещению на одно деление шкалы.
  5. Шкала энкодера должна быть нанесена на идеальную окружность, центр которой находится на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы.
  6. Считывающая головка должна быть жестко установлена на неподвижную часть конструкции, причем так, чтобы при считывании оптического сигнала от масштабных штрихов отсутствовал параллакс и другие геометрические ошибки.

Если хотя бы одно из этих условий не выполнено, реальный угол поворота контролируемого элемента будет отличаться от показаний измерительной системы, в состав которой входит энкодер. Имея представление о каждом из потенциальных источников ошибок, можно определить вклад каждой из них в общую ошибку всего устройства в целом. Детальное обсуждение каждой их этих ошибок не является целью настоящей статьи, поэтому ограничимся краткой информацией о каждой из них:

„Радиальные биения”

Под радиальными биениями мы понимаем боковые смещения оси вращения контролируемого элемента и/или оси энкодера, источниками которых по большей части является несовершенство системы подшипников.

Радиальные биения включают в себя люфты и гармоники более высоких порядков (например, связанные с дефектами шариков/роликов/дорожки качения подшипников), но, предположительно, не эксцентриситет.

Ошибки соединительной муфты

На рисунке ниже показано устройство со встроенным угловым энкодером, который имеет свой подшипник и соединен с контролируемым элементом с помощью муфты. Преимущество такой конструкции состоит в том, что вклад в ошибку определения угла поворота будет давать только подшипник энкодера. Тем не менее, к этому преимуществу нужно относиться с осторожностью, так как биение, возникающее в несущих подшипниках, будет влиять на угловую точность устройства, если оно предназначено для определения угла поворота какой-либо точки контролируемого устройства, а не для определения угловых смещений удаленного объекта.

Конструкция соединительной муфты может оказывать существенное негативное влияние на точность системы как сама по себе, так и в совокупности с такими ошибками как люфт, деформации кручения вала и угловое рассогласование.

Принципиальная схема устройства с поворотной осью

Ошибки, обусловленные деформациями кручения вала

Недостаточно высокая жесткость вала/валов между контролируемым элементом и угловым энкодером приводит к возникновению динамических ошибок, которые ухудшают технические характеристики устройства в целом и аналогичны ошибкам, вызванным наличием соединительной муфты.

Сравнение корпусных и открытых кольцевых энкодеров

Для того, чтобы избавиться от этого эффекта, рекомендуется использовать бесконтактный кольцевой энкодер, который нужно установить как можно ближе к контролируемому элементу или непосредственно на нем (см. рисунок выше).

Эксцентриситет и деформация шкалы

В принципе, точную масштабную шкалу можно получить, нанося неравномерные деления на поверхность переменного радиуса. Для прецизионных угловых измерений, тем не менее, следует взять энкодер с равномерной масштабной шкалой и установить его на вал так, чтобы все участки шкалы были на одинаковом расстоянии от оси вращения. Любые радиальные отклонения, обусловленные эксцентриситетом идеальной круглой шкалы энкодера относительно оси вращения, приводят к ошибкам, которые повторяются при повороте на 1 оборот. Вместе с эксцентриситетом, как правило, появляются ошибки другого типа, связанные с деформацией шкалы и отклонением ее формы от идеальной окружности. Эти ошибки повторяются 2 и более раз за один оборот.

Перекос шкалы

Под перекосом понимается наклон геометрической оси круговой шкалы, установленной с нулевым эксцентриситетом, относительно оси вращения контролируемого элемента (см. рисунок ниже). Вид сбоку позволяет понять, что перекос приводит к синусоидальному аксиальному движению периферийной части шкалы углового энкодера.

«Перекос»

Ошибки, обусловленные считывающей головкой

До сих пор мы, в основном, обсуждали шкалу энкодера и ошибки, связанные с ее несовершенством. Масштабная шкала, однако, только часть энкодера: считывающая головка также вносит вклад в общую ошибку. Ниже описаны наиболее существенные ошибки, обусловленные несовершенством считывающей головки.

Ошибка подразбиения (переодическая ошибка) — Цена деления шкалы кругового энкодера, имеющей 3 600 масштабных штрихов, составляет 0,1° или 360 угловых секунд.

Если требуется более высокое разрешение, то придется прибегнуть к интерполяции.

Любая нелинейность интерполяции ведет к возникновению периодической ошибки, которую также называют ошибкой подразбиения (sub-division-al error/SDE).

Влияние параллакса — Если расстояние между шкалой и считывающей головкой изменяется (например, из-за эксцентриситета круговой шкалы, изменения ее температуры и пр.), дополнительные ошибки при считывании будут возникать до тех пор, пока считывающая головка не будет правильно выровнена по отношению к оси вращения шкалы. Наклон считывающей головки по отношению к плоскости шкалы приведет к возникновению ошибки, величина которой пропорциональна синусу угла наклона.

Устойчивость установки – Это может показаться банальным, но для реализации точных и повторяемых угловых измерений чрезвычайно важно жесткое и надежное крепление считывающей головки и нулевой метки. Конструкция устройства должна быть такой, чтобы считывающая головка все время оставалась неподвижной по отношению к оси вращения масштабной шкалы при изменении ее ориентации в пространстве, возникновении нагрузки, изменении температуры, возникновении вибрации и т. п.

Точность градуировки щкалы — Если масштабные штрихи энкодера наносятся непосредственно на заготовку, то ее логично закрепить на валу, который раз за разом поворачивается на угол, соответствующий цене деления шкалы. Степень неточности нанесения шкалы (разница между фактическим и предполагаемым положением ее штрихов), измеренная по окончании процесса градуировки, однако до снятия круговой шкалы с вала, называется „Ошибка градуировки“ (Graduation Error). Если это измерение теперь повторить, но на этот раз считывать положения штрихов с помощью правильно установленной считывающей головки энкодера, получающаяся ошибка будет складываться из ошибки градуировки и ошибки, вносимой считывающей головкой (в основном, ошибки подразбиения). Такая ошибка энкодера (системы „кольцо +считывающая головка“) называется „Ошибка системы“ (System Error).

Если теперь угловой энкодер снять с вала, на котором он находился во время изготовления, и затем установить его на прежнее место или на другой вал и вновь проверить точность энкодера (системы „кольцо + считывающая головка“), величина полученной ошибки будет другой. Это и неудивительно: изменение ошибки будет обусловлено изменением эксцентриситета и деформацией шкалы энкодера более высоких порядков, которые произошли при перестановке энкодера с вала, на котором выполнялась его градуировка, на другой вал для использования. Общую ошибку, которая будет измерена в этом случае, логично назвать „Ошибка после установки“ (Installed Error), и именно эта ошибка наиболее адекватно описывает величину ошибки устройства, которую увидят пользователи после установки энкодера (разумеется, до выполнения калибровки устройства, в состав которого входит энкодер, примеч. переводчика).

Таким образом, имеем:

Ошибка градуировки = Ошибка нанесения штрихов при изготовлении масштабной шкалы.

Ошибка системы = Ошибка градуировки + ошибка подразбиения

Ошибка после установки = Ошибка системы + Эффекты, связанные с изменением условий установки.

Способы компенсации ошибок

После того, как определены все источники ошибок проектируемого устройства, следует сравнить требуемую точность с точностью, которую может обеспечить энкодер в отсутствие компенсации. Если ошибка энкодера превышает ошибку, заложенную в технические требования, предъявляемые ко всему устройству в целом, нужно или найти другой, более точный энкодер, (при условии, что он имеет приемлемую стоимость, срок поставки и вписывается в конструкцию устройства) или применить тот или иной метод компенсации ошибок, чтобы ликвидировать недостаток точности изначально выбранного энкодера. Два наиболее мощных метода компенсации ошибок – это использование нескольких считывающих головок и калибровка.

Использование нескольких считывающих головок: Использование двух диаметрально противоположных считывающих головок позволяет скомпенсировать эксцентриситет и другие нечетные составляющие повторяемой ошибки более высокого порядка (повторяющиеся 3, 5, 7 и т. д. раз за оборот – примеч. переводчика). Основное достоинство этого метода состоит в том, что он не требует выполнять калибровку, что выгодно как с точки зрения временных затрат, так и с точки зрения отсутствия необходимости разрабатывать методику калибровки. Увеличение числа считывающих головок позволяет еще больше уменьшить повторяемую ошибку, но усложнение конструкции и повышение ее стоимости, связанное с установкой более четырех головок, обычно не оправдывает получаемый выигрыш в точности. Этот метод также позволяет бороться с влиянием радиального биения подшипников на точность угловых измерений, однако для того, чтобы справиться с влиянием этого биения на точность углового позиционирования, как правило, требуются четыре считывающие головки или более точный подшипник.

Таблицы компенсации: Строить и применять таблицы компенсации можно как при использовании нескольких считывающих головок, так и в случае, если система управления сконфигурирована под использование только одной головки. Чтобы этот метод был эффективен, производитель комплектного оборудования должен откалибровать изготовленное устройство, в состав которого входит угловой энкодер, с помощью интерферометра или другого общепризнанного калибровочного оборудования. Он не может в полной мере полагаться на сертификат поверки, предоставляемый производителем энкодера, и отказаться от ввода поправок, поскольку любая ошибка, неизбежно возникающая при установке энкодера, останется неучтенной.Также имеет смысл остановиться на оптимизации числа точек компенсации. Для периодической ошибки, изменяющейся по синусоидальному закону, семь точек на один цикл позволят убрать 90% ошибки на этой частоте. Сто точек компенсации, таким образом, позволят избавиться от большинства ошибок, связанных с первыми четырнадцатью гармониками. Справедливости ради, однако, следует отметить, что существует вероятность возрастания общей величины ошибки, связанной с оставшимися гармониками. Кроме того, нужно помнить, что создание таблицы компенсации не позволяет избавиться от биений в подшипниках, эффектов, связанных с кручением вала, и других случайных ошибок.

 

Заключение

В настоящей статье рассмотрен ряд соображений, которые следует принять во внимание для определения реальных технических характеристик устройства, в состав которого входит угловой энкодер. Также рассмотрены наиболее существенные факторы, которые ограничивают достижимую точность конструируемого устройства, и подробно разобран ряд методов, позволяющих увеличить точность устройства. Дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в стандарте ISO230-7 DIS Axes of rotation (Поворотные оси).

Дополнительную информацию об энкодерах, упомянутых в этой статье, можно найти на сайте www.renishaw.com

1 Строго говоря, угловыми энкодерами называются преобразователи угловых перемещений, имеющие 10 000 и более импульсов на оборот, точность которых выше 5 угловых секунд, а под „круговыми датчиками“ подразумеваются энкодеры, которые не удовлетворяют этим критериям. Вместе с тем, зачастую угловым энкодером называют любой преобразователь угловых перемещений.

2 угловой секунде соответствует линейное разрешение 1 мкм при радиусе 206,25 мм)

controleng.ru

%PDF-1.6 % 5654 0 obj > endobj xref 5654 222 0000000016 00000 n 0000008166 00000 n 0000008306 00000 n 0000008558 00000 n 0000008604 00000 n 0000008642 00000 n 0000008705 00000 n 0000008755 00000 n 0000008792 00000 n 0000008945 00000 n 0000009029 00000 n 0000009110 00000 n 0000009193 00000 n 0000009277 00000 n 0000009360 00000 n 0000009443 00000 n 0000009526 00000 n 0000009609 00000 n 0000009692 00000 n 0000009775 00000 n 0000009858 00000 n 0000009941 00000 n 0000010024 00000 n 0000010107 00000 n 0000010190 00000 n 0000010273 00000 n 0000010356 00000 n 0000010439 00000 n 0000010522 00000 n 0000010605 00000 n 0000010688 00000 n 0000010771 00000 n 0000010854 00000 n 0000010937 00000 n 0000011020 00000 n 0000011103 00000 n 0000011186 00000 n 0000011269 00000 n 0000011352 00000 n 0000011435 00000 n 0000011518 00000 n 0000011601 00000 n 0000011684 00000 n 0000011767 00000 n 0000011850 00000 n 0000011933 00000 n 0000012016 00000 n 0000012099 00000 n 0000012182 00000 n 0000012265 00000 n 0000012348 00000 n 0000012431 00000 n 0000012514 00000 n 0000012597 00000 n 0000012680 00000 n 0000012763 00000 n 0000012846 00000 n 0000012929 00000 n 0000013012 00000 n 0000013095 00000 n 0000013178 00000 n 0000013261 00000 n 0000013344 00000 n 0000013427 00000 n 0000013510 00000 n 0000013593 00000 n 0000013676 00000 n 0000013759 00000 n 0000013842 00000 n 0000013925 00000 n 0000014008 00000 n 0000014091 00000 n 0000014174 00000 n 0000014257 00000 n 0000014340 00000 n 0000014423 00000 n 0000014506 00000 n 0000014589 00000 n 0000014672 00000 n 0000014755 00000 n 0000014838 00000 n 0000014921 00000 n 0000015004 00000 n 0000015087 00000 n 0000015170 00000 n 0000015253 00000 n 0000015336 00000 n 0000015419 00000 n 0000015502 00000 n 0000015585 00000 n 0000015668 00000 n 0000015751 00000 n 0000015834 00000 n 0000015917 00000 n 0000016000 00000 n 0000016083 00000 n 0000016166 00000 n 0000016249 00000 n 0000016332 00000 n 0000016415 00000 n 0000016498 00000 n 0000016581 00000 n 0000016664 00000 n 0000016747 00000 n 0000016830 00000 n 0000016913 00000 n 0000016996 00000 n 0000017079 00000 n 0000017162 00000 n 0000017245 00000 n 0000017328 00000 n 0000017411 00000 n 0000017493 00000 n 0000017576 00000 n 0000017658 00000 n 0000017740 00000 n 0000017822 00000 n 0000017904 00000 n 0000017986 00000 n 0000018068 00000 n 0000018150 00000 n 0000018232 00000 n 0000018313 00000 n 0000018394 00000 n 0000018549 00000 n 0000018588 00000 n 0000018667 00000 n 0000019758 00000 n 0000020050 00000 n 0000020318 00000 n 0000021197 00000 n 0000030197 00000 n 0000031388 00000 n 0000032166 00000 n 0000033176 00000 n 0000034173 00000 n 0000034826 00000 n 0000042149 00000 n 0000042838 00000 n 0000043668 00000 n 0000043803 00000 n 0000044089 00000 n 0000045892 00000 n 0000046129 00000 n 0000046335 00000 n 0000049030 00000 n 0000050296 00000 n 0000050356 00000 n 0000050433 00000 n 0000050515 00000 n 0000050560 00000 n 0000050666 00000 n 0000050711 00000 n 0000050956 00000 n 0000051192 00000 n 0000051415 00000 n 0000051673 00000 n 0000051845 00000 n 0000052005 00000 n 0000052270 00000 n 0000052442 00000 n 0000052641 00000 n 0000052825 00000 n 0000052967 00000 n 0000053139 00000 n 0000053247 00000 n 0000053291 00000 n 0000053443 00000 n 0000053607 00000 n 0000053746 00000 n 0000053953 00000 n 0000054074 00000 n 0000054233 00000 n 0000054455 00000 n 0000054630 00000 n 0000054778 00000 n 0000054934 00000 n 0000055088 00000 n 0000055223 00000 n 0000055365 00000 n 0000055545 00000 n 0000055750 00000 n 0000055912 00000 n 0000056074 00000 n 0000056243 00000 n 0000056413 00000 n 0000056552 00000 n 0000056757 00000 n 0000056932 00000 n 0000057062 00000 n 0000057238 00000 n 0000057375 00000 n 0000057592 00000 n 0000057774 00000 n 0000057976 00000 n 0000058149 00000 n 0000058258 00000 n 0000058384 00000 n 0000058618 00000 n 0000058726 00000 n 0000058890 00000 n 0000059118 00000 n 0000059227 00000 n 0000059351 00000 n 0000059581 00000 n 0000059689 00000 n 0000059813 00000 n 0000060045 00000 n 0000060173 00000 n 0000060307 00000 n 0000060564 00000 n 0000060732 00000 n 0000060899 00000 n 0000061177 00000 n 0000061342 00000 n 0000061520 00000 n 0000061804 00000 n 0000061935 00000 n 0000062068 00000 n 0000062216 00000 n 0000007988 00000 n 0000004855 00000 n trailer ]>> startxref 0 %%EOF 5875 0 obj >stream EU|JsGM`z\#M+ܬ2D47RQݗ`*D?dMhqa6hwa`XD9}

www.int76.ru

Электропривод на базе шагового двигателя

Шаговые двигатели - электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. Шаговые двигатели получили широкое распространение благодаря их техническим особенностям:

  • Отработка точных перемещений
  • Совместимость с цифровыми устройствами управления, в том числе промышленными контроллерами, а также персональным компьютером
  • Легкая и высокоточная установка скорости Отсутствие необходимости в обратной связи
  • Высокое развиваемое ускорение
  • Ненакопительная ошибка позиционирования
  • Хорошая нагрузочная характеристика (соотношение крутящий момент/скорость )
  • Возможность удерживать нагрузку в стационарном положении без перегрева двигателя
  • Широкий диапазон рабочих скоростей

Шаговые двигатели находят широкое применение в различном оборудовании:

  • Приборы точной механики и оптики
  • Измерительные приборы, в том числе спектрометры, газоанализаторы, приборы для анализа нефтепродуктов; оборудование для отбора проб; приборы для контроля качества зерна, муки и т. д. 
  • Дозаторы и питатели
  • Перемешивающие устройства
  • Робототехника
  • Стрелочные приборы (спидометры, тахометры, комбинации, часы) для автоэлектроники, летных тренажеров и т. п.
  • Спектрометры
  • Медицинское и лабораторное оборудование
  • Координатные и поворотные столы
  • Приводы ЧПУ - фрезерные, гравировальные, шлифовочные, электроэррозионные станки, комплексы лазерной, плазменной, газовой резки.
  • Приводы исполнительных механизмов конвейерных систем
  • Упаковочное, фасовочное, сортировочное, этикеровочное оборудование
  • Вязальное, вышивальное оборудование
  • Оборудование для намотки
  • Полиграфические автоматы
  • Морские радиолокационные и гидроакустические станции
  • Светотехническое оборудование
  • Дисководы, факсимильные аппараты, принтеры, сканеры, копировальные машины, а также различная бытовая техника
  • Теплотехника
  • Приводы для систем безопасности - турникеты, поворотные камеры
  • Специальное технологическое оборудование

Мощность шагового электропривода варьируется в широких пределах, что обуславливает его применение для широкого класса задач. Максимальный крутящий момент, развиваемый шаговым двигателем в квазистатическом режиме, составляет 49 Н×м

Как правило, работой шагового двигателя управляет электронная схема, а питание его осуществляется от источника постоянного тока. Шаговые двигатели применяют для управления частотой вращения без применения дорогого контура обратной связи. Этот привод используется в приводе с разомкнутой цепью.

Управление без обратной связи хотя и является экономически выгодным, но имеет и ряд ограничений. Например, поворот ротора становится колебательным и нестабильным по значению конечных скоростей, вследствие чего характеристики движения, частота вращения и ускорение шагового двигателя с управлением без обратной связи не могут быть такими же точными, как у двигателей постоянного тока с обратной связью. Следовательно, уменьшение колебаний - это основная проблема, которую необходимо разрешить для расширения границ применения шаговых двигателей.

Наиболее важной особенностью шагового двигателя является то, что на каждый импульс управления ротор поворачивается на фиксированный угол, значение которого в градусах называется шагом. При получении команды логическая цепь определяет, какая фаза должна быть задействована и посылает сигнал управления на инвентор, определяющий значение тока шагового двигателя. Логическая схема обычно монтируется из транзисторных элементов или интегральных схем. Если выходной потенциал логической схемы высокий, возбуждается соответствующа фаза обмотки, например, фаза 1. Если выходной потенциал низкий, фаза обмотки с этим номером отключается. Двигатель вращается по часовой стрелке при управляющей последовательности 1 > 2 >3 >1 ..., направление против часовой стрелки реализуется при обратной последовательности 1 > 3 > 2 > 1 ... При этом заранее оговаривается, каким в данных условиях считать направление вращения по часовой стрелке. Фазы обмотки обозначаются как 1,2,3 (4 - для четырехфазных двигателей) и т.д. либо A и B для некоторых двухфазных двигателей.

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные электрические машины, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в индустриальных применениях. По сравнению с обычными электродвигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток. Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. Если нагрузка на ротор ШД превысит крутящий момент, то информация о положении ротора теряется и система потребует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика.

При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервоприводом и шаговым приводом. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый привод является наиболее экономичным решением.

Задачи, решаемые при помощи шагового привода, разнообразны. Шаговые двигатели устанавливаются в устройствах и механизмах, требующих высокой надежности и точности. Конструкция шагового двигателя такова, что в ней отсутствуют изнашивающиеся детали. Рассмотрим некоторые типичные применения шагового привода.

Электроприводы шаговых двигателей для транспортных систем

Основные требования, предъявляемые к электродвигателям, используемым в транспортерах:

  • Низкий уровень вибрации
  • Точность/повторяемость останова
  • Способность работать в запыленных, влажных и т. п. средах
  • Параметры разгона/торможения

В качестве приводов транспортных систем традиционно используются шаговые двигатели и двигатели переменного тока (сервоприводы).

Шаговый привод для линейных перемещений

Координатный стол Координатный стол

Шаговый двигатель для поворотных операций

Основные требования, предъявляемые к электродвигателям, используемым в транспортерах: 

  • Разрешающая способность электромеханической системы
  • Точность останова

В качестве приводов для поворотных операция традиционно используются шаговые двигатели и двигатели переменного тока (сервоприводы)

Поворотный стол Поворотный стол Поворотная камера

Намоточное оборудование

В качестве приводов для операций намотки традиционно используются шаговые двигатели и двигатели переменного тока (сервоприводы)

Намотка Намотка

 

www.npoatom.ru


Смотрите также