УДК 621.34:621.314

ББК 31.291

Б 205

Р е ц е н з е н т докт. техн. наук А.В. Суетенко

Балковой А.П.

Б 205 Прецизионный электропривод с вентильными двигателями /

А.П. Балковой, В.К. Цаценкин. – М.: Издательский дом МЭИ,

2010. – 328 с.: ил.

ISBN 978-5-383-00457-9

Рассмотрено современное состояние теории и практики прецизионного прямого

электропривода с вентильными двигателями. Показаны области применения этого электропривода. На элементарной модели качественно проанализированы основные принципы преобразования энергии вентильным двигателем и назначение узлов электропривода. Сформулирована концепция калиброванного управления электроприводом с вентильными двигателями и основные задачи проектирования прецизионного прямого электропривода. Рассмотрены используемые в качестве вентильных двигателей вращающиеся и линейные синхронные машины, и другие компоненты прецизионного прямого электропривода.

Для специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией прецизионных прямых электроприводов и их компонентов, а также автоматических систем управления с использованием таких приводов. Книга может быть полезна аспирантам и студентам соответствующих специальностей.

Табл. 12. Ил. 141 Библиогр. УДК 621.34:621. ББК 31. © Балковой А.П., Цаценкин В.К., ISBN 978-5-383-00457-9 © ЗАО "Издательский дом" МЭИ,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие …………………………………………………………………… Список сокращений Глава первая. Основы устройства и теории прецизионного прямого электропривода 1.1. Особенности прецизионного прямого электропривода 1.2. Вращающийся электропривод 1.3. Линейный электропривод 1.4. Планарный электропривод 1.5. Элементарные шаговый и вентильный двигатели 1.6. Реальный вентильный двигатель Список литературы Глава вторая. Электромеханические преобразователи 2.1. Конструкции синхронных машин 2.1.1. Классификация конструкций 2.1.2. Неявнополюсные синхронные машины с постоянными магнитами 2.1.3. Явнополюсные синхронные машины с постоянными магнитами 2.1.4. Редукторные машины 2.2. Математическое описание электромеханических преобразователей 2.2.1. Методы математического описания 2.2.2. Модель синхронной машины с постоянными магнитами 2.2.3. Шаговый двигатель с возбуждением от постоянных магнитов 2.3. Обобщенное математическое описание ненасыщенных синхронных электромеханических преобразователей 2.4. Вентильный режим реальных синхронных электромеханических преобразователей 2.4.1. Классификация вентильных двигателей 2.4.2. Вентильные двигатели с синусоидальным питанием Список литературы Глава третья. Компоненты прецизионного прямого электропривода 3.1. Основные узлы прецизионного прямого электропривода с вентильным двигателем 3.1.1. Контроллер 3.1.2. Вентильный двигатель 3.2. Инвертор тока 3.2.1. Принципы электрического преобразования энергии в инверторе тока 3.2.2. Способы управления током 3.3. Инвертор тока c аналоговым управлением 3.4. Трехфазный инвертор тока c цифровым управлением 3.4.1. Преимущества цифрового управления током 3.5. Преобразователи электрических переменных 3.6. Измерение механических переменных 3.6.1. Датчики положения 3.6.2. Энкодеры 3.6.3. Резольверы 3.7. Требования к конструкции прямого электропривода Глава четвертая. Управление вентильным двигателем 4.2. Типовые структуры управления вентильным двигателем 4.3. Динамическая модель вентильного двигателя при токовом управлении 4.3.1. Передаточные функции вентильного двигателя 4.3.2. Динамическая модель вентильного двигателя при токовом управлении без учета ограничений по напряжению 4.4. Характеристики вентильного двигателя с учетом ограничений по току и напряжению 4.4.1. Общий вид механических характеристик вентильного двигателя с токовым управлением 4.4.2. Алгоритмы управления вентильным двигателем с учетом ограничений 4.6. Примеры механических характеристик вентильного двигателя с токовым управлением 4.7. Динамические модели вентильного двигателя с учетом ограничений Глава пятая. Управление прецизионным электроприводом с вентильными двигателями 5.1. Принципы построения систем управления прецизионным прямым электроприводом 5.2. Основные структуры систем управления прецизионным прямым электроприводом 5.2.1. Следящий привод с регулированием по отклонению 5.2.2. Следящий привод с двумя степенями свободы по входу и корректором возмущений 4.3.2. Динамическая модель вентильного двигателя при токовом управлении без учета ограничений по напряжению прямым электроприводом 5.4. Электропривод с регулятором и наблюдателем состояния механических координат 5.5. Цифровая реализация регулятора и наблюдателя отклонений механических координат 5.6. Рекомендации по синтезу прямого прецизионного электропривода 5.7. Управление электроприводом с учетом ограничений и электромагнитной динамики электропривода электропривода МЭИ (ТУ) 6.2. Планарный электропривод для сварочного аппарата 6.3. Комплектные цифроаналоговые электроприводы с управлением в пространстве механических состояний 6.3.2. Одноосевой цифроаналоговый электропривод DMS41 6.3.3. Трехосевой цифроаналоговый электропривод MCS43 6.4. Расчет и реализация одноосевого цифроаналогового электропривода с управлением в пространстве механических состояний Приложение 1. Минимизация пульсаций момента в синхронной машине с активным ротором Приложение 2. Основные параметры вентильного двигателя для прямого электропривода

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЦПУ - аналого-цифровой преобразователь угла АЧХ - амплитудно-частотная характеристика БДПТ - бесконтактный двигатель постоянного тока ВД - вентильный двигатель ВДПМ - вентильный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов ВДПТ - вентильный двигатель переменного тока ВИД - вентильно-индукторный двигатель ВРД - вентильный реактивный двигатель ЗТ - задатчик тока ИВД - идеализированный вентильный двигатель ИИМ - инерционный источник момента ИМ - источник момента ИН - инвертор напряжения ИТ - инвертор тока КТ - кольцевой трансформатор ЛАЧХ - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ЛВДПМ - линейный вентильный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов ЛСД - линейный синхронный двигатель ЛСМ - линейная синхронная машина ЛСМПМ - линейная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов ЛФХ - логарифмическая фазо-частотная характеристика ЛШД - линейный шаговый двигатель МД - моментный двигатель МДС - магнитодвижущая сила ММА - критерий "максимума момента на ампер" МП - режим минимума потерь Н - наблюдатель ОН - ограничение по напряжению ОП - ослабление потока ОТ - ограничение по току ОТН - ограничения по току и по напряжению ПИ - пропорционально-интегральный ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальный ПИД-регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор ПИ – регулятор - пропорционально-интегральный регулятор ПЛШД - планарный ЛШД ПМ - постоянный магнит ПММ - планарный мехатронный модуль П-регулятор - пропорциональный регулятор РВД - реактивный вентильный двигатель РМПМ - редукторная машина с постоянными магнитами РРД - редукторный реактивный двигатель РРМ - редукторная реактивная машина РСД - реактивный синхронный двигатель РСМ - реактивная синхронная машина СДПМ - синхронный двигатель с постоянными магнитами СКВТ - синусно-косинусный вращающийся трансформатор СМПМ - синхронная машина с постоянными магнитами СУ - система управления УИТ - управляемый источник тока ФНП - фиксатор нулевого порядка ЦАП - цифроаналоговый преобразователь ЦСК - цифровой сигнальный контроллер ЦСП - цифровой сигнальный процессор ШВП - шарико-винтовая пара ШД - шаговый двигатель ШИМ - широтно-импульсная модуляция (широтно-импульсный модулятор) ШИМ-3 - ШИМ третьего импульсного режима ШИМ-инвертор - широтно-импульсный инвертор напряжения ЭВД - элементарный вентильный двигатель ЭДС - электродвижущая сила ЭП - электропривод ЭСМ - элементарная синхронная машина ЭШД - элементарный шаговый двигатель 2-DOF - two-degree-of-freedom BLACM - brushless AC motor BLDCM - brushless DC motor DSP - digital signal processor DSС - digital signal controller FOC - field-oriented control FW - Flux Weakening LSB - least significant bit (младший разряд двоичного числа) ML - Minimal Loss MTPA - maximum torque per ampere SRM - switched reluctance motor ZOH - zero-order holder

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие и достижения естественных и технических (прикладных) науки и отраслей промышленности во многом связаны с прогрессом в повышении точности технологических процессов и измерений. Современные методы изготовления измерительной аппаратуры, оптических изделий, механической и лучевой обработки материалов, сборочные и манипуляционные процессы в большинстве случаев требуют управления механическим движением с высокой точностью при относительно больших перемещениях. Наиболее эффективными для выработки движущих сил (моментов) оказываются устройства, основанные на преобразовании электрической энергии в механическую. Хорошо известны их преимущества: легкость распределения, преобразования параметров и доставки электрической энергии потребителям, возможность максимального приближения электромеханического преобразователя к рабочему механизму, гибкость управления процессами преобразования, экологическая чистота.

В современных прецизионных системах внедрены устройства управления и преобразования электрической энергии на основе цифровой техники, а элементы электропривода интегрированы с рабочим органом. При этом наилучшая гибкость высокомоментного синхронного двигателя с самокоммутацией (вентильного двигателя) и исключения из состава электропривода редуктора. Такой электропривод обычно называется безредукторным, или прямым, электроприводом с вентильным двигателем.

Термин "прямой электропривод" (direct drive) появился в 70-е годы ХХ в.

применительно к безредукторным электроприводам аудио- и видео аппаратуры, в которых использовались синхронные машины малой мощности с самокоммутацией. Этот привод с прямым электромеханическим преобразованием получил распространение благодаря высокой стабильности частоты вращения, компактности и надежности, но занял довольно скромное место на рынке точных электроприводов до появления его более мощных версий. В 1984 г. американская компания Adept Technology применила прямой электропривода в роботах. Развитие цифровой и силовой электроники, появление новых конструкций датчиков и синхронных машин (линейных и планарных) позволило на другом уровне мощностей и значительно точнее управлять прямым электромеханическим преобразованием. Так, мощности отдельных образцов прямого электропривода выросли до сотен киловатт, а типовые значения погрешностей углового и линейного позиционирования достигли единиц секунд и микрометров, что с полным правом позволило назвать такой привод прецизионным (высокоточным). Сфера применения прецизионного прямого электропривода теперь включает машиностроение, робототехнику, электронную индустрию, измерительную технику и специальные технические устройства.

В СССР исследования, разработки и производство прецизионных прямых электроприводов велись в МЭИ, ЛИТМО, НЭТИ (г. Новосибирск), КБ точного электронного машиностроения (г. Минск), НПО Ротор (г. Черкассы) и в ряде других организаций и предприятий. Исследования, разработки и производство прямых электроприводов в России сейчас продолжаются в МЭИ (ТУ), организациях из СанктПетербурга: ЦНИИ "Электроприбор" и ВНИИМЭМ.

Предлагаемая книга ставит целью ознакомить читателя с современным состоянием теории и практики прецизионного прямого электропривода с вентильными двигателями и разработками в этой области на кафедре автоматизированного электропривода Московского энергетического института (ТУ). Термин "прямой электропривод" не бесспорен, но предлагается к использованию как аналог принятых в англо- и немецкоязычной литературе терминов "direct drive", или "Direktantrieb". Прецизионный прямой электропривод, как правило, воспроизводит заданные законы движения, т.е.

является следящим. Термин "следящий" далее используется наравне с термином "прецизионный прямой электропривод".

Вопросы, рассмотренные в книге, в разное время и в разной мере освещались в фундаментальном труде "Дискретный электропривод с шаговыми двигателями" под общей редакцией проф. М.Г. Чиликина, в книге В.К. Цаценкина "Безредукторный автоматизированный электропривод с вентильными двигателями", в книгах проф. В.Г.

Кагана, в трудах конференций "Incremental motion control", проводившихся в университете штата Иллинойс под руководством проф. Куо, в книгах проф. Кенио, трудах проф.

Хольтца (Германия), проф. Моримото (Япония), проф. Матсуи (Япония), проф. Юфера (Швейцария), проф. Калленбаха (Германия), статьях и докладах, представленных на конференциях IEEE "Industrial Applications Society", IEMDC, EPE, LDIA, в проспектах фирм-производителей. Однако за последнее время часть информации потеряла актуальность. Другая часть, связанная с инженерной практикой, не всегда доступна. Цель данной книги рассмотреть, по возможности с современных позиций, некоторые решения основных задач (теоретических и практических), которые возникают при проектировании точного прямого электропривода. Книга написана коллегами и учениками профессоров М.Г. Чиликина и Б.А. Ивоботенко, поэтому, в основном, сохранила преемственность терминов и символов книги "Дискретный электропривод с шаговыми двигателями".

В первой главе рассмотрены основы устройства и теории прецизионного прямого электропривода и даны основные определения. Рассмотрены области применения этого электропривода. На элементарной модели качественно проанализированы основные принципы преобразования энергии вентильным двигателем и показано назначение узлов электропривода. Сформулированы основные задачи проектирования прецизионного прямого электропривода. В целом сформулирована концепция калиброванного управления электроприводом с вентильными двигателями.

электромеханических преобразователей прецизионного прямого электропривода.

Рассмотрены вращающиеся и линейные синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов: неявнополюсные и явнополюсные, а также линейные и планарные математическое описание этих машин с учетом высших гармоник потокосцеплений и сосредоточенными параметрами. Показано приведение его к обобщенному виду в относительных величинах с использованием как неподвижной, так и подвижной систем электромеханическими преобразователями.

В третьей главе рассмотрены компоненты прецизионного прямого электропривода:

цифровое управляющее устройство (контроллер), инвертор тока, их алгоритмические и схемотехнические особенности, датчики линейных и угловых перемещений. Описана специфика измерения положения и скорости, а также рассмотрены требования к конструкции прямого привода.

В главе четвертой проанализировано управление вентильным двигателем в неподвижных и подвижных координатах. Показано, что управление в составе электропривода характеризуется ограничениями: по току – на низких скоростях, по напряжению – на высоких скоростях и по току и напряжению на средних скоростях.

Рассмотрены оптимальные законы управления для всех зон в зависимости от параметров двигателя, инвертора, типа регуляторов тока и вида управления. Приведено описание параметрических методов уменьшения неравномерности электромагнитного момента (усилия) вентильного двигателя, или калибровки вентильного двигателя. Завершает главу детализация концепции калиброванного управления вентильным двигателем.

В пятой главе рассмотрено управление прецизионным электроприводом. Приведен краткий обзор используемых на практике структур управления: "классических" регуляторов (ПД, ПИД); релейных и квазирелейных регуляторов с нелинейной коррекцией по скорости; разомкнуто-замкнутых (так называемых 2-DOF) систем управления с программированием управления и компенсацией возмущений с помощью регуляторов и наблюдателей. Даны рекомендации по расчету параметров регуляторов и наблюдателей в функции требований к приводу.

В шестой главе даны примеры реализации прецизионного прямого электропривода.

Приведены характеристики электроприводов, двигателей, инверторов, датчиков, контроллеров, а также выходные показатели: диапазоны регулирования скорости, ускорения, точность позиционирования. Рассмотрены примеры расчета и моделирования привода. Модели привода реализованы в системе MATLAB. Файлы моделей, на которые есть ссылки в тексте книги, размещены на сайте http://aep.mpei.ac.ru.

Приложение 1 включает рекомендации по параметрическому подавлению гармоник электромагнитного момента вентильного двигателя. Приложение 2 содержит сводку параметров вентильных двигателей и обобщенный вид механических и электромеханических характеристик вентильного двигателя.

В книге использованы материалы исследований и разработок в области систем движения и управления лазерными машинами, прецизионными электроприводами для микроэлектронных производств, прямыми приводами для поворотных столов, приводами специального назначения. Работы проводились с участием авторов совместно с их коллегами: В.Е Луценко., Г.А Сливинской., Г.М Тяпкиным – на кафедре автоматизированного электропривода Московского энергетического института (ТУ).

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ТЕОРИИ ПРЕЦИЗИОННОГО ПРЯМОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Особенности прецизионного прямого электропривода Исторически стремление к повышению точности воспроизведения заданных законов механического движения в рамках редукторных электроприводов (ЭП) выявило их серьезные недостатки, устранение которых стало трудно разрешимой задачей при статических и динамических погрешностях менее 10-5" (угл. с) или 5-1 мкм. Зазоры и люфты в редукторах и преобразователях вращательного движения в линейное, зависимость коэффициента редукции от угла поворота, вызывающая при определенных условиях параметрические колебания в ЭП, пониженная жесткость механических деталей, особенно в области зубцовых зацеплений, наличие в механизме избыточного числа опор, вносящих нелинейные возмущения в движение, вот далеко не полный перечень факторов, затрудняющих создание высокоточных редукторных ЭП.

Теория и практика проектирования высокоточных систем накопила определенный опыт по ослаблению влияния негативных факторов на качественные показатели механического движения. Для устройств с относительно низкими рабочими скоростями и ускорениями, улучшение характеристик редукторной передачи достигается за счет повышенной точности обработки, применения устройств люфтовыбирания. Однако это не улучшает жесткости механической части, так как организация распора в зубцовом зацеплении за счет пружин или электродвигателей, работающих на общую ось, ухудшает эквивалентную жесткость передачи. Приходится увеличивать массу и габаритные размеры установки, вводить дополнительные корректирующие устройства. Это, в свою очередь, требует установки дополнительных датчиков или реализации наблюдающих устройств. Система становится чувствительной к изменению параметров, требуется дополнительная мощность ЭП для эффективной работы цепей коррекции, приходится переходить к системам с адаптацией и т.д. В результате прецизионный ЭП становится сложным, существенно затрудняется его анализ и синтез, возрастает вероятность ошибок при проектировании.

В то же время во многих практически важных случаях можно полностью отказаться от использования кинематических преобразователей между двигателем и рабочим механизмом, т.е. соединить подвижную часть двигателя с нагрузкой и объединить их в единое интегрированное устройство, включающее в себя также датчики механических и электрических переменных. Такой ЭП, у которого отсутствуют кинематические преобразователи, классифицируется как безредукторный, или прямой.

Прямой ЭП имеет существенные преимущества перед ЭП с кинематическими преобразователями. Наиболее важное создание усилия без потери скорости или точности, так как оно передается электромагнитной индукцией быстрее и точнее, чем посредством трения, используемого в кинематическом преобразователе. Другие преимущества отсутствие дополнительных нелинейностей и упругостей, ухудшающих качество воспроизведения движения и полосу пропускания ЭП, а также увеличение срока службы вследствие отсутствия износа силовых механических компонентов.

Прецизионный прямой ЭП чаще всего оснащается вентильными двигателями (ВД), которые отличаются высокими удельными ускорениями и малыми пульсациями момента.

Вентильный двигатель создается на основе синхронной машины без дополнительных пусковых и демпфирующих обмоток, работающей в режиме самокоммутации за счет положительной обратной связи по положению ротора. Термин "вентильный двигатель" имеет двоякий смысл. Им обозначается либо совокупность устройств вместе с синхронной машиной, обеспечивающих реализацию указанного режима работы, либо синхронную машину, специально сконструированную для применения в составе ВД. Далее смысл термина легко раскрывается исходя из контекста.

Прецизионный прямой ЭП можно классифицировать как высокоточный ЭП с прямым (безредукторным) преобразованием электрической энергии в механическую на основе ВД. Электропривод состоит (рис. 1.1) из:

устройства управления, которое реализует функции управления, регулирования и измерения;

вентильного двигателя, включающего электрический преобразователь ЭлП, электромеханический преобразователь синхронную машину СМ и датчик положения ДП;

рабочего органа.

скорости, ускорения Устройство Рис. 1.1. Прецизионный прямой электропривод с вентильным двигателем "Слаботочная" часть устройства управления и электрического преобразователя обычно называется контроллером, а "сильноточная" часть электрического преобразователя инвертором. Назначение устройства управления и электрического преобразователя задание переменных состояния (например, момента, скорости, положения, токов, напряжений) электромеханического преобразователя (синхронной машины) и последующий расчет и формирование управляющих воздействий с учетом измеренных переменных состояния. Назначение электромеханического преобразователя (синхронной машины) прямое (безредукторное) преобразование электрической энергии в механическую.

Принципиально, термин "вентильный двигатель" относится к любой синхронной машине с синхронно-синфазным движением полей статора и ротора, которое обеспечивается токовым питанием в функции положения, или самокоммутацией.

Наибольшее распространение получили следующие разновидности ВД:

двигатели с синусоидальным токовым питанием в функции положения, или ВД переменного тока (ВДПТ) (англоязычный термин "brushless AC motor" BLACM), которые подразделяются на:

вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (ВДПМ) на базе синхронных машин с постоянными магнитами (СМПМ) или на базе редукторных машин с постоянными магнитами (РМПМ), которые также могут называться шаговыми гибридными;

реактивные вентильные двигатели (РВД) на базе реактивных синронных машин (РСМ) или редукторных реактивных машин (РРМ), которые также могут называться реактивными шаговыми;

двигатели с несинусоидальным токовым питанием в функции положения, которые подразделяются на:

бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) с возбуждением от постоянных магнитов и трапециевидным токовым питанием (англоязычный термин "brushless трапециевидным токовым питанием (англоязычный термин "switched reluctance Анализ регулировочных свойств отмеченных типов электрических машин привел к выводу о предпочтительном использовании в прецизионном прямом ЭП двух- или трехфазных ВДПТ: с машинами типа СМПМ, либо типа РРМ.

У СМПМ преобразование электрической энергии в механическую происходит за счет взаимодействия двух групп намагниченных материалов. У РРМ преобразование энергии происходит вследствие действия магнитного поля на ферромагнитный материал.

Конструктивно наиболее просты РРМ, поскольку обмотки у них размещены только на статоре, а ротор выполняется из электротехнической стали. Однако в создании момента этого двигателя участвует только часть основного магнитного потока, модулированного за счет изменения магнитной проницаемости рабочего зазора в функции угла поворота ротора. Это приводит к увеличению объема активных материалов, росту электромагнитной инерционности и малым рабочим зазорам, что затрудняет использование реактивной машины. Поэтому при проектировании динамичных и высокоточных ЭП предпочтение отдается машинам с возбуждением от постоянных магнитов.

На практике, кроме классификации по типу электромеханического преобразования, сложилась также классификация прецизионных прямых ЭП по виду механического движения электромеханического преобразователя:

вращающийся ЭП;

линейный ЭП;

планарный ЭП.

Особенности этих электроприводов:

отсутствие кинематического преобразования;

высокое быстродействие (ускорения до 300 000 рад/с2 и 100 м/с2);

синусоидальное (или близкое к нему) токовое питание машин в функции положения и малые собственные пульсации усилия электромеханического преобразователя;

высокая точность (погрешность поворотного движения до нескольких угловых секунд и линейного движения до нескольких микрометров).

Пример конструкций электромеханических преобразователей для вращающихся и линейных прямых ЭП на основе СМПМ показан на рис. 1.2 [1.1]. Для получения линейной конструкции, базовая конструкция СМПМ "разрезается" вдоль оси и разворачивается в плоскости. Вращающееся поле машины при этом преобразуется в бегущее: получается линейная синхронная машина (ЛСМ). Если провести топологическое преобразование дальше и "свернуть" якорь и статор линейной машины вокруг продольной оси, то получится цилиндрическая ЛСМ, используемая в основном на малых ходах. Если требуются высокий момент и относительно низкая скорость, что типично для прецизионных прямых ЭП, то, удлинив развертку статора и ротора прототипа и снова "свернув" их, можно получить так называемый моментный двигатель (МД) с отношением диаметра ротора к его длине, значительно большим единицы.

Моментный двигатель Рис. 1.2. Примеры конструкций электромеханических преобразователей на основе синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов (по данным [1.1]) Реже (из-за значительных пульсаций момента и насыщения) в прецизионных прямых ЭП применяются синхронные машины с сосредоточенными обмотками и зубчатыми полюсами. Такие машины принято называть редукторными. Они также бывают с возбуждением от постоянных магнитов и реактивного типа. Иногда такие машины называют шаговыми (гибридными при наличии возбуждения от постоянных магнитов и реактивными при отсутствии возбуждения). Название "шаговый двигатель" (ШД), иногда используемое для этого типа машин, связано исторически с режимом шагового управления этими машинами. Вращающийся ШД также послужил прототипом для конструирования линейного ШД. На рис. 1.3 показаны примеры конструкций ШД с возбуждением от постоянных магнитов: вращающегося и линейного.

Воздушный зазор Рис. 1.3. Редукторные (шаговые) двигатели с возбуждением от постоянных магнитов: вращающийся (а), линейный (б) "развертыванием" ротора гибридного ШД, но не содержит постоянных магнитов [1.2].

Якорь ЛШД получается из статора ШД с "добавлением" магнитов. В данном примере электромагнитов с катушками управления и постоянным магнитом возбуждения. У каждого электромагнита два полюса с зубцами. Период зубцов якоря совпадает с периодом зубцов статора. Полюса якоря имеют взаимный сдвиг на одну четверть зубцового деления, поэтому только для одного из полюсов возможно полное совмещение зубцов с зубцами статора.

Усилие в ЛШД возникает при увеличении результирующего магнитного потока в одном полюсе фазы и ослабления в другом полюсе за счет переменного тока в катушке.

Изменяя токи в двух катушках со сдвигом на 90, можно сконцентрировать поток в любом из полюсов. Полюс с наибольшей концентрацией потока с наибольшим усилием стремится к совмещению своих зубцов с зубцами статора. Сложение тангенциальных усилий всех полюсов создает тангенциальное усилие ЛШД. Один период изменения токов приводит к перемещению якоря на один период зубцового деления. Питание ЛШД токами в функции положения переводит его в режим ВДПТ.

Особенности ЛШД модульный принцип построения якоря из одинаковых элементарных двигателей и интегрированные воздушные опоры. Набор элементарных однокоординатного ЛШД, а набор групп с ортогональным направлением зубцов (рис. 1.4) якорь двухкоординатного, или планарного ЛШД (ПЛШД).

Якорь ПЛШД перемещается в плоскости вследствие взаимно перпендикулярной нарезки зубцов на плоской рабочей поверхности статора. Якорь удерживается над поверхностью статора с помощью интегрированных аэростатических опор. Каждая пара двигателей может генерировать как усилие по одной из взаимно перпендикулярных координат, так и момент при ограниченном угле разворота [1.3]. Иногда ЛШД называют двигателем Сойера по имени американского изобретателя, получившего основные патенты на конструкции и способы управления ЛШД и ПЛШД в 70-х годах ХХ в.

Прецизионные прямые ЭП находят применение во многих современных технологиях: робототехнике, машиностроении, лазерной технике, производстве полупроводников, устройствах специальной техники. Развитие этих ЭП идет на базе интеллектуализации электромеханических и измерительных устройств с использованием современных цифровых методов управления. Можно сказать, что современные прецизионные прямые ЭП это мехатронные устройства, где глубокая интеграция электромеханики, электроники и сенсорики дает новые качества воспроизведения движения.

Рис. 1.4. Принцип построения планарного шагового двигателя и создания координатных усилий и вращающего момента Применение и производство точных прямых ЭП резко возросли в 90-е годы ХХ в.

во всем мире. К традиционным лидерам в этой области – компаниям из США, Японии, стран ЕЭС – присоединились производители из Юго-Восточной Азии. Крупные электро- и машиностроительные компании (Siemens, Bosch Rexroth, Philips, General Electric, Fanuc, Baldor, Kollmorgen, NSK, Yaskawa, Sumitomo, Mazak) начали выпускать комплектные прецизионные прямые приводы с вентильными двигателями и производственные машины на их основе.

Ниже рассмотрены области применения и примеры использования вращающегося, линейного и планарного точных прямых ЭП.

********************************************************** 1.5. Элементарные шаговый и вентильный двигатели Приведенные выше примеры показывают, что прецизионные прямые ЭП обычно используются в устройствах с высокими показателями качества движения. Такие ЭП представляют собой замкнутые системы управления, имеющие в своем составе ВД, измерители переменных состояния, наблюдатели переменных состояния (если это необходимо) и вычислительное устройство для формирования законов управления.

Вентильный двигатель в составе ЭП представляет собой сложный электромеханический агрегат из синхронной электрической машины, датчика положения и инвертора, питающего фазы двигателя по сигналам датчика.

Оценку основных свойств ВД можно провести с помощью последовательного рассмотрения двух элементарных моделей: модели элементарного шагового двигателя (ЭШД) и элементарного ВД (ЭВД). Основу обеих моделей составляет элементарная синхронная машина (ЭСМ), которая имеет синусоидальные МДС двух фаз ( и ) и синусоидальную МДС возбуждения со стороны неявнополюсного ротора. В роторе возбуждение осуществляется либо от источника постоянного тока Ir через скользящие контакты, либо от постоянных магнитов, действие поля которых эквивалентно току возбуждения IM = Ir. В ЭСМ предполагается равномерный воздушный зазор и магнитная цепь с очень высокой магнитной проницаемостью при отсутствии насыщения, что при синусоидальных МДС приводит к синусоидальным ЭДС фаз машины.

Электромагнитный момент T1 (индекс "1" означает результат взаимодействия первых гармоник МДС фаз статора и ротора) ЭСМ вычисляется как производная магнитной энергии Wm трех контуров (фазы, фазы и контура возбуждения) по положению ротора при условии неизменности токов фаз I, I, и тока возбуждения Ir [1.9 – 1.11]:

Магнитная энергия Wm определяется как:

потокосцепление фазы ; L const индуктивности рассеяния фаз и ; Lr const индуктивность рассеяния контура возбуждения; L0 амплитуда взаимной индуктивности фазы и возбуждения; p me электрическая координата ротора; p – число пар полюсов машины; me механическая координата (угол поворота) ротора, отсчитанный между продольной осью ротора и осью фазы.

С учетом (1.2) электромагнитный момент T1 ЭСМ равен:

Каждый из членов уравнения (1.3) представляет собой произведение тока фазы статора, тока ротора и тригонометрической функции электрической координаты ротора.

Если выбрать токи статора и ротора так, чтобы их произведения были синусоидальными и косинусоидальными функциями, то электромагнитный момент будет постоянен.

Необходимое для этого условие можно записать как:

Таким образом, фазы статора и ротора могут питаться от источников с различной частотой, в том числе и от источника постоянного тока (для ЭСМ это источник постоянного тока ротора).

В общем случае возникновение среднего момента возможно, если:

где r, s круговые частоты питания обмоток ротора и статора, me механическая угловая скорость ротора.

Если ЭСМ работает в установившемся режиме, когда токи статора изменяются как:

а электрическая угловая скорость ротора постоянна:

то угловое положение ротора "отстает" от углового положения = s t вектора тока статора на так называемый угол момента T :

и уравнение электромагнитного момента ЭСМ имеет вид:

где K T pI r L0 pM 1 постоянная момента, M 1 I r L0 амплитуда потокосцепления контура возбуждения и фазы машины, T1m K T I m амплитуда синхронизирующего момента.

Для получения момента при переменной скорости, токи в фазах ЭСМ должны формироваться от управляемого источника тока (УИТ) переменной частоты по заданиям I *, I * (индекс * означает задание) от специального устройства задатчика тока (ЗТ):

Тогда момент T1 ЭСМ формируется в соответствии с заданием T *1 :

которое определяется заданной амплитудой синхронизирующего момента T *1m K T I *m, заданным углом * * *T вектора тока (с компонентами * программная электрическая координата ротора и программный угол *T момента) и реальной координатой ротора.

ЭСМ совместно с ЗТ по (1.10) и УИТ образует так называемый элементарный шаговый двигатель - ЭШД (рис. 1.19), который состоит из неявнополюсной двухфазной ЭСМ с возбуждением на роторе (ток возбуждения I r ), УИТ и ЗТ, на вход которого подаются задания угла * и момента T1 *.

Уравнение моментов ЭШД:

Здесь механическая нагрузка учитывается моментом нагрузки TL и соответствующим вкладом в суммарный момент инерции J me.

Движение ЭШД, в соответствии с (1.11) и (1.12) описывается уравнением нелинейного консервативного звена:

Для малых отклонений ( * / 4 ) уравнение (1.13) можно упростить до линейного дифференциального уравнения:

которое показывает, что при управлении от идеального источника тока ротор следует за полем статора с незатухающими колебаниями. Круговая частота этих колебаний В модели ЭШД момент нагрузки можно представить в виде двух компонент:

постоянной составляющей TLc и вязкого трения TLv, часто аппроксимируемого линейной функцией:

где коэффициент эквивалентного вязкого трения, С учетом (1.15), описание ЭШД преобразуется к уравнению колебательного звена Относительная форма записи (1.16) часто используется для упрощения описания ЭШД:

относительное значение постоянного статического момента; b где Lc относительный коэффициент эквивалентного вязкого трения; t b 1 / b относительное инерции; Tb K T I b базовый момент; I b базовый ток (обычно это амплитуда продолжительного тока фазы I b I mc ); J b базовый момент инерции.

Уравнение (1.17) показывает, что в ЭШД ротор машины следует за полем статора с затухающими колебаниями. Относительная (в долях 0 ) круговая частота этих затухающих колебаний равна В установившемся по скорости режиме ( "отставать" от электрической координаты вектора тока на угол момента T ( Lc ). Необходимо учесть, что использованная в (1.12) форма записи дает В ЭШД реализуется фазовый принцип управления, когда задается угол * вектора тока и *T программный угол момента, при постоянной заданной амплитуде T *1m синхронизирующего момента. Внутренняя отрицательная обратная связь ЭСМ по углу реализует выполнение программы движения:

Задание угла момента *T учитывает статическую и динамическую (в функции скорости и ускорения) нагрузки и определяется из (1.17):

Колебательные свойства существенно ограничивают применение режима шагового двигателя. Улучшить управление процессом преобразования энергии в синхронной машине можно, использовав прямые и обратные связи по механическим переменным:

ускорению, скорости и положению подвижной части. Как правило, используется положительная обратная связь по положению. Эта обратная связь означает, что условие (1.5) дополняется требованием:

где *i так называемый угол коммутации.

Получить токи, зависящие от реального положения ротора в соответствии с (1.20), можно посредством установки на валу ЭСМ датчика положения, по сигналам которого УИТ формирует токи статора (1.10). Таким образом получается элементарный вентильный двигатель (ЭВД). Подстановка соотношения (1.20) в уравнение (1.11) дает выражение электромагнитного момента ЭВД:

Оно формально совпадает с выражением (1.9) для электромагнитного момента ЭСМ, но в (1.21) устраняется зависимость момента от положения ротора, что означает взаимную неподвижность полей ротора и статора, или «самокоммутацию» ЭВД.

Структурная схема ЭВД показана на рис. 1.20. Элементарный вентильный двигатель состоит из ЭСМ, датчика положения (ДП), УИТ и ЗТ. На входы ЗТ подаются задание момента T *1 и обратная связь по положению. Модуль ЗТ преобразует задание момента T *1 и обратную связь по положению в задание I * I * jI * вектора тока.

Как правило, угол коммутации вентильного двигателя задается по критерию "максимума момента на ампер" ММА (или MTPA maximum torque per ampere), при котором требуемый момент обеспечивается минимально возможной амплитудой тока. В этом случае потери в меди машины минимальны. Дифференцирование (1.21) в функции *i и приравнивание производной нулю:

дает условие реализации критерия ММА в ЭВД:

Иными словами, при угле коммутации, равном /2 (или при так называемой нейтральной коммутации), достигается экстремум электромагнитного момента ЭВД. Этот режим является основным и при использовании реальных вентильных двигателей на базе неявнополюсных синхронных машин.

В соответствии с критерием ММА (1.23) и (1.21), амплитуда I *m вектора тока задания пропорциональна заданию момента T *1 :

Изменение токов в фазах статора в функции текущего положения ротора обеспечивает взаимную неподвижность ( *i const ) полей статора и ротора и постоянство электромагнитного момента T1. Таким образом, ЭВД приобретает свойства коллекторного двигателя постоянного тока, питаемого от источника тока.

Элементарный ВД описывается с учетом (1.21) и наличия эквивалентного вязкого трения линейным дифференциальным уравнением первого порядка относительно электрической угловой скорости:

или в относительной форме записи:

где / b относительная электрическая скорость.

Таким образом, в ЭВД, по сравнению с ЭШД устраняется колебательный характер движения, а двигатель становится источником усилия с эквивалентным вязким трением в виде возмущения.

1.6. Реальный вентильный двигатель *****************************************************************************