автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Динамические характеристики и устройства для управления привода с шаговым волновым электродвигателем

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА

САВВИН Вячеслав Иванович

На правах рукописи

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДА С ШАГОВЫМ ВОЛНОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Специальность: 05.09.03 — электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1902

Работа выполнена в Государственном морском техническом университете.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

СЕНЬКОВ А. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КОНСТАНТИНОВ В. Н.; кандидат технических наук, доцент

ПРИХОДЬКО в. м.

Ведущая организация ЦНИИСЭТ.

Защита состоится « » 1992 г. в часов

на заседании специализированного совета Д101.02.01 по присуждению ученой степени кандидата технических ,наук в Государственной морской академии имени адмирала С. О. Макарова по адресу: 199026, Санкт-Пс-тербург, Косая линия, д. 15-а, ГМА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морской академии имени С. О. Макарова.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю специализированного совета по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан « » 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук Н. Е. ЖАДОБИН

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современное судно является сложным и дорогостоящим объектом, проектирование, постройка и эксплуатация которого невозможна без учета всех новейших достижений науки и техники. Одним из эффективных путей повышения качества, сокращения сроков, улучшения технико-экономических характеристик судна является разработка и внедрение средств автоматизации. Увеличение мощности энерговооружения судна, специфические особенности и разнообразные условия плавания вызывают необходимость создания систем автоматического управления отдельными установками, а так*е управление судна в целом. Поэтому, проблема создания и реализации систем автоматизации судна представляет собой важную народнохозяйственную задачу, успешное решение которой позволит увеличить производительность труда, качество при проектировании и постройке судна.

Требования, предъявляемые современной техникой к быстродействию, устойчивости, регулированию скорости вращения исполнительных механизмов до нуля, привели исследователей и конструкторов к созданию шаговых электродвигателей. В настоящее время разработаны и широко внедряются шаговые двигатели, которые по существу являются рабочими органами устройств, где функции управления целиком ложатся на электронную часть привода - устройства для управления шаговыми двигателями. Шаговые волновые электродвигатели- (ВЬд) могут существенно расширять возможности судового дискретного электропривода по сравнению с шаговым электроприводом традиционного исполнения, работающего на редуктор. Поэтому ЗЙ^ являются перспективными для использования в прецизионных судовых приводах, где требуется малый шаг, высокая надежность и герметичное исполнение. В настоящее время созданы достаточно совершенные системы автоматического регулирования частоты вращения первичных двигателей, позволяющие обеспечить высокую стабильность частоты вращения генераторных агрегатов. Стабилизация, частоты вращения зависит от управляющей цифровой вычислительной машины, совершенства максимального обеспечения ре-шае«.«оЯ задачи, а так же специальных исполнительных механиз-

мов способных отрабатывать заданные команды в цифровой форме. При создании систем автоматического регулирования частоту вращения генераторного агрегата важен вопрос использования унифицированных исполнительных устройств. Работы но конструированию новых типов ВЭД неразрывно связаны с поиско.: новых способов и схем управления электродвигателем. Характеристики ВЭД зависят от схем управления. Проблемы увеличения быстродействия, КОД, устранения колебаний ротора при импульсном режиме управления, оптимизации закона управления в зависимости от характера нагрузки остаются не рассмотренными. Помимо перечисленного,шаговый привод должен удовлетворять требовании, предъявляемым к судовому оборудованию: питание должно осуществляться от источника с одним уровнем напряжения; минимальное потребление энергии при сохранении максимального быстродействия; устранение пульсаций тока при питании от аккумуляторной батареи; построение логической части системы управления на стандартных элементах.

Цель работы состоит п совершенствовании методов создания судовых прецезионных приводов ни основе ролно* ы/. -иагомк электродвигателей для систем судовой автоматики с улучленьк-ми энергетическими характеристиками.

В соответствии с указанной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Создание математической модели шагового волнового электродвигателя для исследования еги статических и динамических процессов с учетом влияния устройства управления.

2. Разработка и реализация устройств управления шаговым приводом с повышенным по сравнению с существующими электродвигателями быстродействием, КПд, точностью позиционирования, плавностью перемещения выходного вала.

3. Разработка методики проектирования и прикладного программного обеспечения судового привода с волновым шаговым электродвигателем.

4. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований волнового шагового электродвигателя и созданных систем управления шагового привода.

Методы исследований. При решении поставленных задач были использованы методы математического моделирования, и теории электромеханического преобразования энергии. Исследования переходных процессов в электроприводе проводились с по-

мощью аппарата дифференциальных исчислений с использованием вычислительной техники.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Математическая модель прецезионного шагового волнового электродвигателя, основанная на представлении электромагнитного момента, как производной коэнергии по углу смещения волны деформации гибкого ротора при условии обеспечения номинальной амплитуды деформации ротора.

2. Математическое моделирование шагового волнового электропривода с учетом влияния способов и особенностей устройств управления.

3. Методика проектирования привода с шаговш волновьм электродвигателем, отличающегося повышенны« энергетическими характеристиками.

4. Методы и результаты экспериментальных исследований шагового привода для подтверждения выведенных теоретических положений.

5. Устройства для управления шаговш приводом, позволяющие решить задачи повышения быстродействия, КПД, точность позиционирования, плавность перемещения выходного вала. С целью конкретизации исследования проводились применительно к шаговому волновому электродвигателю промышленного образца типа ДВШ 80-06-0,225, ДВШ 50-0,04.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Создана математическая модель для определения электромагнитного момента "п"-фазного шагового волнового электродвигателя при возбуждении любого количества фаз, отличающаяся от известных моделей тем, что электромагнитный момент представлен как производная по углу смещения волны деформации ротора при условии обеспечения номинальной амплитуда деформации ротора.1

2. Уточнены параметры уравнения .движения ротора шагового волнового электродвигателя, что обеспечило в отличии от известных методов расчета получать связь эквивалентного момента инерции ротора, от изменения амплитуды деформации ротора по осевой координате, а также определить силы реакции с учетом эквивалентного момента инерции действующие на ротор в зависимости от параметров движения.

3. Разработана математическая модель привода с шаговым Еолновда электродвигателем, описывающая статические и дина-

мические режимы привода с учетом исгользуемых устройств управления.

4. Предложены алгоритмы численного определения законов управления токами в фазах волнового электродвигателя, обеспечивающими постоянства его электромагнитного момента.

5. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами устройства для управления шаговым волновым электродвигателем, позволяющие решать вопросы быстродействия, КПД, точность позиционирования, плавность движения выходного вала.

6. Создана методика проектирования электроприводов- на базе шагового волнового электродвигателя с улучшенными энергетическими характеристиками.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, из них 12 авторских свидетельств на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержащих 158 страниц машинописного текста, 58 рисунков и таблиц, списка литературы из 93 наименований.

Содержание работы

Во введении отражены актуальность темы, цель работы, научная новизна, практическая ценность решаемых задач и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ конструкций и результатов теоретических исследований шаговых ВЭД, а также анализ схем и устройств .для управления шаговыми двигателями. Формируются цели и задачи исследований.

В волновьк электродвигателях преобразование электрической энергии в механическую происходит при ьгремещении волны деформации упругого ротора, возбуждаемой электромагнитными силами. Волновые электродвигатели в зависимости от характера вращения магнитного йоля делятся на синхронные и шаговые, и зависят от вращения магнитного поля. Наиболее отработанными конструкциями являются шаговые ВЭД с цилиндрическим ротором. В настоящее время в СССР и за рубежом освоен выпуск шаговых ВЭД. В развитие теории шаговых ВЭД большой вклад внесли работы Аверьянова A.B., Алексеева-Мохова С.Н., Варганова А.И., Взрлея В.В., Воробьева A.B., Габова А.П.,

Москвитина А.И., Сенькова А.П., Нения В.П. Работ этих авторов решили ряд проблем теории ВЭД. Определена форма деформации гибкого ротора. Проведен расчет индукции магнитного поля в воздушном зазоре, а также расчет электромагнитного момента и методика расчета момента инерции ротора.

Однако, исследования шаговых ВЭД далеко не завершены. Качество проектируемых двигателей зависит от точности определения статических и динамических характеристик электродвигателя. Имеющиеся в настоящее время методы теоретического исследования не дают возможности расчитать полные характеристики электромагнитного момента шагового ВЭД. Недостаточно исследованы динамические процессы движения выходного вала ВЭД в зависимости от частоты переключения фаз, а также влияние движения гибкого ротора на характеристики двигателя.

В работе приведен анализ методов управления шаговыми двигателями, так как динамические характеристики зависят от способа управления. 3 настоящее время для управления ВЭД применяются такие же схемы, как и для управления шаговьми электродвигателями с вращающимся ротором. Однако, очевидно, что такие особенности ВЭД, как срыв зацепления гибкого и жесткого колес, резонансные свойства ротора, должны учитываться при проектировании схем управления шаговым ВЭД. Анализ работ позволил определить перспективные способы и устройства управления шаговым ЗЭД5 а также наметить пути совершенствования схем управления, предназначенных специально для управления шагового ВЭД. В работе показано, что необходима комплексная разработка схем управления, позволяющая уточнить и улучшить требования, предъявляемые. к шаговому приведу. Параметры схем управления должны быть согласованы с электрическими параметрами шагового ВЬД. При решении данной задачи необходимо определить кратность форсирования переднего и заднего фронта тока, частоту модуляции тока в фазахопределить форму тока в фазах, позволяющую улучшить качество движения выходного вала.

• Зо второй главе разработана методика расчета статического синхронизирующего момента четырех и восьмифазного ВЭД, приведена полная система уравнений, позволяющая определить статический синхронизирующий момент двигателя до момента срыва зацепления жесткого и гибкого зубчатых колес.

Из теории упругих оболочек и работ по исследованию ВЭД известно, что радиальное смещение элементов поверхности ротора при его деформации определяется выражением

г1г=ип1 ^-соз й (ос.-р,),

где - амплитуда радиальной деформации'; £ - длина ро-

тора; х - осевая координата точки воздушного зазора; ос. -центральный угол; 1 р, - угол между осью отсчета угла сс и осью деформации роторе.

Соответственно, закон изменения воздушного зазора имеет вид: х

8"- - сое г (<*.-£>),

где &0 - зазор между статором и недеформированным ротором.

Проводимость воздушного зазора под всеми зубцами фазы одинакова и имеет вид

Г-., ^ и ^с-ЧсЬв-°1ср с Ср

где 53 - площадь зубца статора; ъ - радиус внешней поверхности ротора; б" - угловая ширина полюса статора; -среднеинтегральная длина воздушного зазора- под I зубцом фазы п .

Ток каждой фазы возбуждает магнитные потоки, проходящие

К+ 1

только через зубцы данной фазы фк=(Ч) X п С <и , тогда электромагнитный момент действующий на ротор равен

м

м =-—Н. -

Эр,

где - коэнергия магнитного поля двигателя.

Так как магнитные потоки, проходящие через зубцы статора данной фазы по абсолютной величине равны

Иц-^ц-чфкш-гчп^е.

где Ч?к = Фкп — потОкосцепление части фазы I , разме-

щенной на зубце К .

Величина электромагнитного момента четырезфазного ВЭД определяется выражением &

ж---:-а1пг.(ы-р).

ьгс 81п 6 а--Г-1оовв<*-р>

Показано, что точно такое же выражение М«{(р>) при включении одной фазы можно получить с помощью принципа виртуальных перемещений ротора. Рассмотрен электромагнитный ВсД, при выводе которого определялась коэнер-гия объема магнитной цепи, создаваемой обмоткой, размещенной на диаметрально расположенных зубцах статора I и 9.

Магнитный поток первого зубца равен:

где суммарная проводимость всех воздушных зазоров

под зубцами статора 1-16,

Энергия запасенная в поле электродвигателя равна

При условии идентичности геометрии зубцов I и 9, количества витков на зубцах, а также при протекании одного тока в обмотках, энергия поля может быть записана

ы , т* . та т* ^ 6*6Га6?

«.„ = ^1, -Ь.Л, =1, п

19 и19А1 С

Е

Вычислив частную производную от проводимости воздушного зазора по углу р> , получено выражение для расчета электромагнитного момента восьмифазного ВЭД

г г 36 , ( \

м - - * 1, ар Лг^ ** "ч *

X -Дт- Sl.ll а (*«.-£>).

Ь1«Р

Амплитуда радиальной деформации ротора ит зависит от трех пар диаметрально расположенных сил, направленных вдоль большой оси, деформации ротора: равнодействующих электромагнитных сил Рэм , сил упругости ротора Гу и радиальных

сил нагрузки FH , возникающих за счет взаимодействия зубьев жесткого и гибкого зубчатых колес при воздействии момента нагрузки на выходной вал. Для обеспечения номинальной амплитуда деформации ротора vTm = w0 необходимо, чтобы F3M> »■ Fy + FH . Разница между F3M и Fu + FH компенсируется парой радиальных сил реакции Fp , действующих на ротор со стороны жесткого зубчатого колеса при условии wm>wo и равно Fp= F3M - (Fy+ F„).

Показано что при увеличении момента нагрузки, амплитуда радиальной деформации ротора уменьшается wm < и0 . Это приводит к уменьшению F3M и дальнейшему уменьшению амплитуды радиальной деформации ит . В результате происходит резкое уменьшение амплитуды радиальной деформации и срыв зацепления гибкого и жесткого зубчатых колес. Равнодействующая электромагнитных сил, приложенных к ротору в плоскости свободного торца равна:

Iz -12, Т*

0п % sin6cos(6+ о,)cos 5> <**-?>).

Силы упругости гибкого ротора могут быть расчитаны по формуле: Fy = С-ur m , где с - радиальная жесткость ротора.

Радиальные силы нагрузки, возникающие- за счет действия сил момента нагрузки Мн при взаимодействии зубьев жесткого и гибкого зубчатых колес, равны

г- Ш 1ъ

где А - угол профиля зуба.

Для расчета FH использовался модуль момента, так как независимо от знака момента,силы Мн всегда направлены в сторону уменьшения амплитуды деформации ротора. Величина сил реакции, действующих в точках контакта ротора и ограничителя определяется выражением

- F„„ - bttf +

4

IMhI e ;

Характеристика статического синхронизирующего момента шагового ВЭД представлена на рисЛ, построенная по результатам решения системы уравнений (I)

FP. «SO Нм.

р.гроЭ

Рис.1

U,

2... - MC" VÍC

1 Ф 1

М=^п~и)0г

г "i

г 0г>

.. SLn6Tcos(5 + a)*, 2.L

4 f '

^0Cp + K' Stn

оср

sin 2. р.!

F1 <

P3n=2ju пЬ г 1C&L sin ff соь + ср >

(д0е?-кЫ9 coUpf (Soc+ К| и,, cos

оср

lî

_ с S0 ср- к I w0 Sin a р>)г (Socp+ K| Sin

ocp

cos£p>

(I)

Kt- гьс y cos ц+g)

которая включает уравнение для расчета токов в фазах, уравнение момента, уравнение электромагнитных сил и выражение для расчета сил реакций действующих на гибкий ротор. Система уравнений (I) позволяет расчитать угол р при увеличении момента нагрузки Мн до срыва зубцов жесткого и гибкого колес. Как показала экспериментальная проверка данной методики расчета, погрешность не превышает 10$.

В третьей главе разработана математическая модель "П"-фазного ВЭД, получена математическая связь эквивалентного момента инерции от его параметров с учетом массы гибкого магнитопривода и изменения амплитуды деформации ротора по осевой координате. Определены силы с учетом эквивалентного момента инерции в зависимости от параметров движения.

Кинетическая энергия элемента оболочки ротора определяется из выражения

т

г

[ШЭД-

где ш - масса элемента оболочки, равная рИс1о1.с1х;И-

толщина оболочки; £ - плотность материала гибкого ротора.

Кинетическая энергия гибкого ротора и магнито-

провода (Зм , равна

Ь Иж _ £

VII Г^т^Р-^т^1^иУг) =

оо

-Ь^ЙГ-

Приведенный к валу суммарный момент инерции Эт равен

где 0^ - момент инерции вала; Зр , - момент инерции гибкого ротора и ыагнитопровода, равные:

3 р= £(} р/(¿¡ь/сШ* =у я у 1 \лл \

Уравнение движения гибкого ротора с учетом момента нагрузки Мн типа "сухого трения" равно

d p dp |dp> I

dt

Коэффициент S , учитывающий потери энергии на трение между витками магнитопровода, потери на механический гистерезис, а также учитывающий демпфирование колебаний за счет вихревых токов, возникающих в оболочке и магнитопроводе ротора был определен экспериментально. Установлено, что при действии электромагнитных сил F3M на ротор в точке контакта зубцов, имеющих профильный угол \ действуют тангенциальные силы, момент нагрузки и силы упругости гибкого колеса. При движении ротора возникают центробежные силы F^ , которые для элемента оболочки и магнитопровода равны

о -i

г

где h^ и h2 - высота элемента магнитопровода и оболочки.

В динамике силы реакции равны

В динамике силы реакции существуют'при выполнении условия Fp>0. Уравнение электрического равновесия п -фазного шагового ВЗД имеет следующий вид

Система уравнений движения четырехфазного шагового ВЭД (2) включает уравнение электрического равновесия, уравнение движения гибкого ротора, уравнение сил реакции, а также выражения для расчета электромагнитных сил и электромагнитного момента двигателя.

u » L R + L 0(dLj, /dt) - г LmI a COS ^ ;

(2)

us=i.sR<s>-»-L0(dl3/di:)^SLLml,a5i2.pCdp,/clt);

u4=l4 R<p+ Lo(dl4 /dt)~ 2-COS2.jb (d (b/dt) ;

М -к. -Г-, - .----Г сп&г.ьн

* ' ^ср""*^*1"^ ^оср+кьигт эьпгр

I2-

+К. —---1+Т-—-о si.n2.ft

г* -I1

рэм = <саьгс si.neT и» (ег-к^)»

• г. .г.

ь, ь„

соэ2р> +

(5;

оср

тсоз2,р>)

• г. .г.

йипгр. ; (2)

|М| ¿з

I1 - 1г

к, -Ч/»^ 10 ге г П 51пб соа 6");

т

•V--

с1г р. «1в с1&

эм

Система уравнений (2) позволяет определить переходные процессы токов в фазах и параметры движения выходного нала при заданной нагрузке и выбранной системе' коммутаций. Показано, что с ростом момента инерции нагрузки увеличивается амплитуда и длительность переходного процесса. На рис.2 приведены кривые изменения тока во включаемой фазе I а, в отключаемой фазе ь( и изменение угла р, , при отработке единичного шага двигателем ДВШ 80-0,6-0,225 полученные экспериментально и расчитанные на ЭВМ. Система коммутации фаз парная четырехтактная, момент инерции нагрузки, соответственно кривые 1-3 равны: 1,5-1б4 Нмс2; 5- Ю-4 Нмс2; 25-Ю-4 Нмс2; Погрешность расчета около 10-15%.

В работе приведена система уравнений движения восьми-фазного шагового ВЭД, для которого наиболее распространенной системой коммутации фаз является 3/8, -123-234-345-456-567-678-781-812. При данной коммутации фаз двигателя учтена взаимная индукция между фазами. Приведенная в работе система уравнений восьмифазного двигателя позволила определить переходные процессы двигателя. В работе показано, что увеличение момента инерции до номинального не оказывает существенного влияния на характер тока ео включаемой фазе. Движение ротора в зависимости от момента инерции может быть как колебательна, так и апериодическим. Амплитуда колебаний ротора восьмифазного ВЭД меньше чем у четырехфазного, так как при перемещении рстора в новое фиксированное положение кинетической энергии запасено меньше. Выведенная

система уравнений динамики позволяет определить не только переходные процессы движения ротора, но и максимальную частоту отработки серии шагов при различных параметрах момента

нагрузки на валу двигателя. В работе приведены исследования динамики движения шагового ВЭД при различных частотах переключения фаз двигателя. Показано, что с увеличением частоты переключения фаз колебания скорости ротора уменьшаются. Скорость движения ротора, в зависимости от величины момента инерции нагрузки, может достигать установившейся скорости на 12-20 шаге переключения фаз двигателя. При увеличении частоты переключения выше частоты приемистости, происходит выпадание движения ротора из синхронизма на втором-третьем шаге. При этом величина силы реакции Гр становится меньше нуля, так как электромагнитные силы уменьшаются вследствии увеличения рассогласования электромагнитной силы статора и положения большой оси деформации ротора.

В четвертой главе рассматривались переходные процессы при отработке единичного шага и серии шагов двигателем, а также влияние форсирования переднего и заднего фронта тока в фазе на быстродействие двигателя.

Форсированное отключение тока в фазе двигателя предполагает быстрое уменьшение энергии, запасенной в магнитном поле фазы к моменту отключения. Форсированное . отключение осуществляется включением параллельно фазе двигателя дополнительного элемента;сопротивления; стабилитрона; дополнительного источника питания; конденсатора. Для оценки возможности и рациональной области применения перечисленных схем, рассмотрено влияние электромагнитной постоянной Т^ и механической постоянной Тм, на переходные процессы движения ротора. Установлено, что при 3...5ТМ переходный про-

цесс становится апериодическим. При Тэм^ 3...5 Тц время переходного процесса движения ротора не уменьшается. Приведены переходные процессы движения ротора при включении дополнительных сопротивлений параллельно фазам двигателя. Показано, что увеличение дополнительного сопротивления выше 150 Ом нецелесообразно, так как быстродействие двигателя не увеличивается. При этом увеличивается напряжение в момент коммутации на дополнительном сопротивлении.

Форсированное включение тока в фазе двигателя предполагает быстрое накопление энергии, что позволяет увеличить быстродействие двигателя. Увеличения бкстродействия можно достичь при помощи включения в начале отработки шага дополнительного источника питания последовательно или параллельно

основному источнику питания, а также при помощи широтно-им-пульсного источника питания.

Рассмотрено влияние изменения тока в фазах двигателя от длительности импульса форсирования на динамику движения ротора. Показано, что неправильный выбор длительности импульсов форсирования приводит к перерегулированию движения рото-. ра относительно.нового устойчивого положения при отработке шага. Математическая модель шагового привода позволила рассчитать необходимую длительность импульса форсирования при заданном напряжении источника питания. На примере двигателя ДВШ 80-0,6-0,225 приведен расчет коэффициента форсирования, который для данного двигателя равен 4-5. Показано, что увеличение коэффициента форсирования больше чем 4-5 не приводит к увеличению быстродействия двигателя.

Приведено описание двух схем для управления шаговым двигателем с широтно-импульсным напряжением питания, позволяющих увеличить быстродействие и КПД двигателя. Приведенные схемы могут быть использованы в устройствах при питании от аккумуляторов с малой энергоемкостью. Достоинством схем управления является возможность изменять длительность импульсов форсирования в функции напряжения питания, что позволяет поддерживать постоянный электромагнитный момент вне зависимости от напряжения питания двигателя.

Пульсации фазного тока при импульсном напряжении

питания фаз двигателя, вызывают пульсации электромагнитного момента двигателя. При исследовании характеристик ВоД отмечено, что при частоте напряжения на фазах, равной » резко увеличиваются колебания ротора, где максимальная частота колебаний ротора. Частота ¿тах определяется из уравнения свободных колебаний ротора.

Р Гс 5

где ^ - частота собственных колебаний ротора; р - число тактов коммутации.

При проектировании схем для управления шаговым двигателем необходимо, чтобы частота импульсов напряжения, . поступающих на фазы двигателя, была равна ^ 5... позволяет устранить колебания ротора при импульсном питании.

г

Быстродействие и КПД шаговых ВЭД во многом зависят от выбора способа управления. Поэтому важной задачей является поиск путей уменьшения потерь в двигателе и схеме управления. Исследования энергетических характеристик ВЭД с учетом особенностей устройства управления проведены при рассмотрении баланса мощности. Это позволило получить выражения для расчета потерь в меди, стали, механические потери и построить энергетические характеристики. Управление двигателем проводилось от двух различных схем. Первая схема управления с источником тока, вторая - с широтно-импульсным регулятором напряжения.

Проведенный расчет и экспериментальные исследования показали, что в ДВШ на низких частотах отработки шагов преобладают потери в меди, которые составляют 70-80$ от общих потерь. На средних и высоких частотах потери в дополнительных сопротивлениях составляют 20-40$, вне зависимости от способа управления двигателем. Проведенные исследования позволили обосновать пути повышения энергетических характеристик ВЭД. Основные направления уменьшения потерь в магнк-топроводе заключаются в снижении потерь при помощи схем управления, позволяющих формировать характеристику тока в фазе близкую к синусоидальной форме во всем диапазоне частот переключения фаз, а также применение схе« с самокомму-• тацией переклкншия фаз. Снижение потерь в различных сопротивлениях осуществляется путем рекуперации энергия, которая; является наиболее эффективным направлением повышения КПД привода.

В пятой главе теоретически исследуются методы улучше-. ния качества движения шагового ВЭД, а так же рассматривается методика проектирования шагового привода.

Улучшить качество движения шагового ЗЭД позволяют схемы с дроблением шага. Дробление основного шага достигается путем изменения тока при обычной системе коммутации фаз. Оперируя большим но конечным числом электрических состояний формируется требуемый закон изменения тока, который позволяет обеспечить любое заданное дробление основного шага. В работе приведена методика расчета токов, основанная на математическом представлении характер?, .■»г.рх'тгк'магкитннх сил при изменении угла р> , а также условк? и ограничений накладываемых на электромагнитные силы и величину тока. Получены выражения для расчета токов при равномерном дроблении шага, которые для фаз С1 и С£ равны

11=1т(1-касоаг(ь)'/соз1(ь, при -45°<р«ч5в;

1„=Гти-к3а1пй|ъ)\^5йт£^, при 0«р.$90°,

гпе к: - — 81п ге .

где ** 5"0 2Ь &

Разработана методика расчета напряжений и токов в фазах ВЭД при равномерном движении гибкого ротора и переменном моменте нагрузки. Основой полученной системы уравнений является математическое представление электромагнитного момента в функции положения угла р , равенства моментов, а также условия статического равновесия систеш. Кроме перечисленного, система уравнений включает уравнение электрического равновесия, уравнение движения и ограничительные неравенства накладываемые на величину электромагнитного момента Мт(р.,1т)»0 и величину тока 1т41тах. Изложенный метод расчета напряжений и токов позволяет обеспечить любые параметры движения при переменном моменте нагрузки.

В работе рассмотрена методика проектирования прецизионного шагового привода, блок-схема которой приведена на рис.3. Исходными данными при проектировании являются: номинальный момент нагрузки Мн , число шагов на оборот N , номинальная частота переключения фаз двигателя -{-м и напряжение питания ип .

Разработанная методика проектирования шагового ВЭД и устройства для управления двигателем позволила значительно сократить объем экспериментальных исследований. С помощью новой методики проектирования разработан вссьмифазный ВЭД, который от серийного двигателя отличается улучшенными энергетическими характеристиками.

Заключение

В ходе исследования динамических характеристик шаговых ВЭД получены следующие научные результаты:

1. Электромагнитный момент четырехфазного шагового ВЭД зависит от квадрата тока, функции двойных углов медцу устойчивым положением волны деформации ротора и осями фаз и геометрических размеров двигателя. Электромагнитный момент восьмифазнэго ВЭД, кроме перечисленного, зависит от проводимости воздушных зазоров невозбужденных фаз.

2. Срыв зацепления гибкого и жесткого колес связан с уменьшением амплитуды деформации ротора при воздействии на вал двигателя момента нагрузки. Причем, для нормальной работы двигателя сумма сил упругости и радиальные силы, создаваемые моментом "нагрузки не должны превышать электромагнитные силы возбужденных фаз двигателя.

Исходные данные N М * ип

Расчет оболочки и выбор параметров волновой передачи

Расчет оболочки

Я ротора на

прочность

Выбор-размеров и компановка элементов двигателя

Выбор материала и размеров маг-нитопровода

Выбор распределителя и усилителя мощности

Расчет

Выбор способа форсирования

Выбор напряжения питания

Расчет механичес-.Ю кйх и динамических характеристик

Расчет параметров обмоток и статора

П

Разработка документации

3

4

б

5

7

9

Рис.3

3. Приведенный момент инерции ротора шагового ЮД зависит от массы ротора и квадрата амплитуды деформации ротора.

4. Установлено, что в динамике силы реакции зависят не только от электромагнитных сил, сил упругост и момента нагрузки, но и завис*? также от параметров движения ротора.

5. Предложенная система ураинекиП, позволяющая определить перехэд!-че процессы движения ретора и максимальную частоту отработки тагов при переменном моменте нагрузки, состоит из уравнений электрического равновеекг, выражения для расчета электромагнитного момента, равнения движения ротора и уравнения сил реакции.

6. Предложена процедура численного решения задач управления токами в фазах патового ВЭД, основанная на принципах решения 0лт:ют«рц:10нн0й задачи распределения электромагнитного момента возбуждения фаз двигателя в зависимости от момента нагрузки и скорости движения волны деформации ротора.

7. Предложенная методика проектирования электропривода позволила разработать размерно-параметрический ряд шаговых ВЭД и устройства лля управления двигателями.

Основные положения д-.^сертании огубликованы в следующих работах:

1. Булин-Сокоглз И.:.., Саввин В.И., Красовская Г./-Применение микроЭВИ для управления шаговым электродвигателем. Тр.ЛКИ: Автоматизация" судовых технических средств. Л., IS84.

С.84-87.

2. Гуськов П.А., Саввт: о.;'.., Сеньков А.П. Обзор схем управления шаговыми электродвигателями. Тр.ЛКИ: Судовые энергетические системы. Л., IJ34. С.44-48.

3. A.c. 96I09I (СССРЧ Уетр-й:;з для управления шаговым электродвигателем/ Зиле?эг ЛЗ., ..еньков А.П., Саввин В.И. Опубл. в Б.И., 1982. З1:.

4. A.c. № I494I06 (СССР . Ус треГ<стЕо стартстопного управления четырехфазнык шагг.вчк д'виг ателем/ДерипасъС.М., Савзин В.И., Сеньков A.Ü., Рябниин к.'',., Торопов А.,. Зпубл. в Е У. 1987 № 26.

' 5l A.c.')? I36I702 (СССР'. Ur?!«rt» электропр'/.^д/ лиле-сог Д.В., Даниленко С.П., Десипаско С.М.. Саввик d.M., Сеньков А.П. Опубл. в В.И., IC?u7' 4^.

6. A.c. № 7568198 (СССР', шаговый электропривод/ Д;;ри-паско С.М., Иванов B.C., Нодялков С.К., Саввин З.И., Сеньков А.П. Опубл. в Ь.И., Ii ОС. .'F 20.

A.c. У I53474I (СССР). Устройство для управления п -¿Ьтнки шаговым двигателем/ АверьчноЕ Н.З., Гуськов П.А., Даниленко С.П., Саввин В.И., Сеньков А.П. Опубл. в Ь.И., Г?1.-О, I.

с. Наумова Л.И., Саввин В.И., CenhKJB А.П., Степанов П.П. Способы форсировки импульсов тока в фазах шаговых

электродвигателей. Тр.ЛКИ: Судовая и энергетическая электроника. Л., 1981- С.72-77.

9. Саввин В.И., Сеньков А.П. Способы форсирования электромагнитных процессов шаговых электродвигателей. Тр.ЛКИ: Сковал электротехника и энергетическая электроника. Л.,

10. A.c.. № 96IC9I (СССР). Устройство для управления шаговым электродвигателем/ Вилесов Д.В., Сеньков А.П., Саввин В.И. Опубл. в Б.И., 1982, W 35.

11. Саввин В.И., Сеньков А.П., Павлов Л.П. Экспериментальное исследование энергетических характеристик волновых шаговых электродвигателей. Тр.ЛКИ: Судовая автоматика и энергетика. Л., 1986. С.73-78.

12. A.c. Jp II66258 (СССР). Устройство для управления шаговым электродвигателем/ Вилесов С.Д., Саввин В.И., Сеньков А.П.. Булин-Соколов И.Ю., Гуськов П.А. Опубл. в Б.И., 1985, » ¿5.

13. A.c. № I54I754 (СССР). Устройство для управления шаговым двигателем/ Дерипаско С.М., Саввин В.И., Сеньков А.П. Опубл. в Б.И., 1990, № 5.

14. A.c. № I40333I (СССР). Устройство для управления шаговым двигателем/ Аверьянов A.B., Гуськов H.A., Дерипаско С.М., Саввин В.И., Сеньков А.II. Опубл. в Е.И., 1988, №22.

15. Саввин В.И. Улучшение качества движения волнового шагового электродвигателя. Тр.ЛКИ: Автоматизация судовых технических средств и электроэнергетическое оборудование. Л., 1988. С.25-28.

16. Дерипаско С.М., Саввин В.И. Повышение точности позиционирования волнового шагового электропривода. В сб. науч.тр.: Автоматизация электрооборудования судов, портов и гидротехнических сооружений. Л., 1988. С.56-58.

17. A.c. № I63I6D0 (СССР). Замкнутый волновой шаговый электродвигатель/ Дерипаско С.1.1., Саввин В.И., Сеньков А.П. Положительное решение ВНИИ ГПЭ, 06.02.89. Опубл. в Б.И., 1991, № 8.

18. Заявка на изобретение F 4698045/24-07. Устройство для управления шаговым двигателем/ Дерипаско С.М., Саввин В.И., Сеньков А.П., Топоров П.В. Положительное решение ВНИИ ГПЭ| 31.05.89.

19. Заявка на изобретение № 4753485/24-07. Устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага/ Дерипаско С.М., Рябинин A.C., Саввин В.Ид, Сеньков А.П., Торо-пов А.Д. Положительное решение ВНИИ ГПЭ, 26.10.89.

ППО 'Пегас*. 3ак.403. Тир.100.