Исполнительный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

Описание работы

При изучении свойств отдельных элементов и САУ в целом используют следующие основные характеристики:

1. Статическая характеристика (англ. static characteristic) : представляет собой график зависимости выходной величины от входной, построенный по уравнению статики, описывающему поведение элемента или САУ в установившемся режиме при постоянных входных воздействиях. Статические характеристики отдельных элементов и системы в целом позволяют судить о виде зависимости (линейная или нелинейная), коэффициенте усиления, зоне линейности, пороге чувствительности (зоне нечувствительности), зоне насыщения и др.

2. Уравнение динамики (англ. dynamic equation) представляет собой математическое выражение физических процессов, протекающих в элементе (объекте управления или отдельных элементах регулятора) или в САУ. Оно определяет связь между выходными и входными сигналами в каждый момент времени. Ввиду сложности процессов при составлении уравнений динамики прибегают к идеализации изучаемых процессов, учитывая только основные, существенные явления и связи. Как правило, объекты управления (система) даже при идеализации изучаемых процессов описываются нелинейными уравнениями динамики. Однако во многих случаях при небольших отклонениях величин имеется возможность их линеаризации, т.е. замены линейными уравнениями в приращениях, что значительно упрощает процедуру исследования объектов управления

3. Передаточная функция (англ. transfer function) представляет собой отношение изображения по Лапласу выходного сигнала к изображению по Лапласу входного сигнала при нулевых начальных условиях (ННУ). ННУ означают, что элемент (система) до момента входного воздействия (при ) находится в состоянии покоя, т.е. все отклонения переменных величин и их производные равны нулю.

(при ННУ) (1.1)

Преобразование Лапласа переводит сигнал из временной области в его изображение на комплексной плоскости:

,

где – оригинал, а – оператор преобразования Лапласа:

При исследовании динамики системы пользуются структурной схемой (рис.1.1), которая является условным графическим изображением уравнений динамики, выраженной через передаточную функцию в виде

(1.2)

Рис.1.1 – Графическое представление динамического звена

4. Переходная характеристика (англ. transient characteristic) представляет собой закон изменения во времени выходной величины при подаче на вход элемента или системы ступенчатой функции :

при ;

при .

Функцию можно определить из уравнения (1.1), в котором

.

Переходя от изображения к оригиналу:

(1.3)

Исполнительный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

В последнее время получили достаточно широкое распространение малоинерционные, исполнительные двигатели постоянного тока (англ. actuating direct current motor) различных конструктивных исполнений.

По способу возбуждения (англ. mode of excitation) исполнительные двигатели постоянного тока можно разделить на двигатели с независимым возбуждением и двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

У двигателей с независимым возбуждением в качестве обмотки управления используется либо обмотка якоря (двигатели с якорным управлением), либо обмотка полюсов (двигатели с полюсным управлением).

У двигателей с постоянными магнитами обмоткой управления является единственная их обмотка – обмотка якоря, т.е. они всегда работают при якорном управлении.

В данной работе в качестве исполнительного двигателя используется двигатель с якорным управлением с независимым возбуждением (рис.1.2). Мощность двигателя: 5-10 Вт, скорость вращения: 1500-2500 рад/мин.

Рис.1.2 – Схема двигателя постоянного тока с независимым возбуждением
и управлением по якорной обмотке

У этого двигателя обмоткой возбуждения (англ. exciting winding) является обмотка полюсов, а обмоткой управления (англ. control winding) – обмотка якоря. Обмотка возбуждения подключена к сети с постоянным по величине напряжением. На обмотку управления подается сигнал (напряжение управления) лишь тогда, когда необходимо вращение якоря двигателя. Напряжение управления не является постоянной величиной. Путём изменения напряжения управления добиваются нужного момента или скорости вращения двигателя. При изменении полярности напряжения управления изменяется направление вращения якоря двигателя . Двигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую со стороны якорной обмотки и обмотки возбуждения , в механическую. Он приводит в движение какой-либо производственный механизм (нагрузку) с заданной скоростью . Так как напряжение возбуждения постоянно по величине, то ток в обмотке возбуждения , а, следовательно, и магнитный поток также постоянен:

(1.4)

(1.5)

При вращении якоря проводники обмотки управления пересекают магнитное поле возбуждения и в обмотке якоря наводится ЭДС, величина которой пропорциональна скорости вращения и потоку .

Полагая, что магнитная система машины не насыщена, можно описать двигатель линейным дифференциальным уравнением, которое получается в результате совместного решения уравнений ЭДС якорной цепи и моментов на валу двигателя:

. (1.6),

(первое слагаемое в правой части выражения представляет собой падение напряжения на активное сопротивление, второй – ЭДС самоиндукции, третий – противо- ЭДС вращения.)

Вращающий момент двигателя развивается за счёт взаимодействия потока возбуждения с током якоря :

(1.7)

С другой стороны, исполнительный двигатель должен обеспечить вращающий момент, создающий вращение (поворот) нагрузки с определённой скоростью (углом):

, (1.8)

где – момент сопротивления внешних сил, определяемый только изменением момента нагрузки на валу двигателя и не зависящий от скорости;

– приведённый момент инерции всех подвижных частей, связанных с валом двигателя, включая и момент инерции нагрузки.

Решая совместно уравнения (1.6) и (1.7) и учитывая, что ЭДС самоиндукции мала по сравнению с остальными слагаемыми, получим:

, (1.9)

где .

Из уравнения (1.9) можно получить механические и регулировочные характеристики (рис.1.3), причём первое слагаемое уравнения (1.9) характеризует пусковой момент исполнительного двигателя:

.

а) б)

Рис.1.3 – Статические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением: регулировочные (а) и нагрузочные (б)

Регулировочные при (рис.1.3, а) и нагрузочные при характеристики линейны (рис.1.3, б).

Из уравнения (1.9) следует, что при заданном сигнале управления скорость вращения двигателя уменьшается при увеличении момента на валу по линейному закону (рис.1.3, б). Величина максимального (пускового) момента прямо пропорциональна напряжению управления . При уменьшении напряжения управления механические характеристики двигателя смещаются параллельно в сторону меньших скоростей и моментов; наклон (жёсткость) механических характеристик при этом не изменяется.

На рис.1.3, а изображено семейство регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением, построенных для различных моментов сопротивления на валу двигателя. Из этих характеристик в соответствии с выражением (1.9) ясно видно, что при любом заданном моменте сопротивления на валу скорость вращения двигателя возрастает по линейному закону при увеличении напряжения управления .

Максимальную скорость двигатель развивает при холостом ходе ().

Весьма ценным качеством исполнительных двигателей постоянного тока с якорным управлением является линейность его механических и регулировочных характеристик (рис. 1.3). Этими свойствами не обладают ни один другой исполнительный двигатель ни постоянного, ни переменного тока.

Решая совместно уравнения (1.6), (1.7), (1.8), получим

. (1.10)

Это уравнение, записанное в изображениях по Лапласу при нулевых начальных условиях, имеет вид

, (1.11)

где – изображения по Лапласу,

– ЭДС источника питания (управляющее воздействие),

– скорость вращения (выходное, управляемое воздействие),

– момент сопротивления внешних сил, определяемый только изменением момента нагрузки на валу двигателя и не зависящий от скорости (возмущающее воздействие),

– электромагнитная постоянная времени,

– электромеханическая постоянная времени,

– коэффициент усиления по скорости,

– коэффициент пропорциональности между моментом и скоростью,

– суммарное активное и индуктивное сопротивления якорной цепи двигателя и источника питания,

– коэффициент пропорциональности между противо-ЭДС и скоростью вращения двигателя при ,

–приведённый момент инерции всех подвижных частей, связанных с валом двигателя, включая момент инерции нагрузки.

Из уравнения (1.11) передаточная функция двигателя по управляющему воздействию:

(1.12)

и по возмущающему воздействию:

(1.13)

В соответствии с уравнением (1.11) на рис.1.4 изображена структурная схема двигателя постоянного тока при управлении по якорной цепи.

Рис.1.4 – Структурная схема двигателя постоянного тока
с независимым возбуждением

Электромеханическая постоянная времени (англ. electromechanical time constant) – это основная величина, характеризующая быстродействие двигателя в процессе его разгона. Строго говоря, быстродействие двигателя определяется скоростью протекания, во-первых, механических процессов, во-вторых, электромагнитных процессов, которые имеют место после включения якорной цепи под напряжение. Однако вследствие того, что скорость протекания электромагнитных процессов обычно значительно выше, чем механических процессов, электромагнитную постоянную времени не учитывают. За постоянную времени двигателя принимают постоянную времени механических процессов, называя электромеханической постоянной времени .

Тогда для исполнительного двигателя с якорным управлением с учётом вышесказанного, пренебрегая составляющей , справедливы следующие уравнения:

(1.14)

(1.15)

Решая совместно уравнения (1.14) и (1.15) относительно входов ( и ) и выхода (), получим выражение

. (1.16)

Используя преобразование Лапласа для уравнения (1.16), получим

, (1.17)

где .

На рис.1.5 представлена упрощенная структурная схема двигателя постоянного тока с якорным управлением в соответствии с уравнением (1.17) относительно угла поворота вала двигателя, связанного со скоростью вращения интегральной зависимостью.

Рис.1.5 – Упрощенная структурная схема двигателя постоянного тока
с независимым возбуждением

Из структурной схемы (рис.1.5) можно получить выражения передаточных функций двигателя с якорным управлением относительно угла поворота вала двигателя:

· по управлению:

; (1.18)

· по возмущению:

. (1.19)

Ценным качеством двигателя с якорным управлением является независимость постоянной времени от величины напряжения управления , что объясняется параллельностью механических характеристик двигателя с якорным управлением.

На рис.1.6 показана переходная характеристика двигателя, представляющая собой закон изменения во времени скорости вращения двигателя при ступенчатом изменении напряжения управления и . При этом пренебрегаем временем протекания электромагнитных процессов ().

Рис.1.6 – Переходная характеристика двигателя постоянного тока

Переходная характеристика построена по выражению для , полученному на основании уравнения (1.3) с учётом уравнения (1.17). [1]

В настоящей работе используется двигатель постоянного тока SYL-5EL (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Двигатель постоянного тока SYL-5EL

Характеристики двигателя постоянного тока SYL-5EL:

1. колебания движущего момента: 0,49-5%;

2. ток нагрузки: 1,8 А;

3. напряжение нагрузки: 20 В;

4. вращающий момент при холодном ходе: 500 об./мин;

5. момент трения: ≤0.098 Н·м;

6. мощность: 36 Вт;

7. норма колебаний вращающего момента: 10%.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель (англ. stepper motor) –- это электрический двигатель, преобразующий цифровой электрический сигнал в механическое движение.

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. Современные шаговые двигатели являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

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. Это электромеханическое устройство, преобразующее сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.

Сфера применения шаговых двигателей:

· подача пленки и изменение масштаба изображения в камерах;

· факсимильные аппараты;

· принтеры;

· копировальные машины;

· лотки подачи и сортировщики бумаги;

· дисководы;

· автомобилестроение;

· светотехническое оборудование;

· теплотехника;

· станки с числовым программным управлением (ЧПУ).

Преимущества шаговых двигателей:

· угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на шаговый двигатель, а двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны), прецизионное позиционирование и повторяемость;

· точность 3-5% от величины шага;

· ошибка не накапливается от шага к шагу;

· возможность быстрого старта, остановки, реверсирования;

· высокая надёжность, связанная с отсутствием щёток;

· срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;

· однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи;

· возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединённой непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;

· может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей;

· скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: