автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка нетрадиционных конструкций, структур и средств управления замкнутого координатного электропривода

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МОСКОВСКАЯ ШНА. СЕРАФИМОВНА.

РАЗРАБОТКА. ИЕТРАДИШОКШХ КОНСТРУКЦИЙ, СТРУКТУР И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ЗАМКНУТОГО КООРДИНАТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации яа соискание ученой степени кандидата технических наук

Косгаа

Г991

? /о У/-/'

Работа ьыиолкека на кафедре автоматизированного электропривода Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Ревсиго-ции энергетического института.

Научный руководитель - лауреат Государственных премий ССС

доктор технических наук, профессор йвоботенко Б.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Рубцов В.П.

кандидат технических наук Попав М. А.

Ведущее предприятие - НПО "МЕХАТРОН"

Загргга состоится "28" тоня 1991 г. в 12 час. 00_ ш в аудитории М-214 на заселении специализированного Совета К 053.16.06 в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью просим направлять по адресу: 205835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Учений Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "_" мая_ 1591 г.

Ученый секретарь специализированного Совета К.Т.Н., доцент

Лнчареза Т.В.

!' .»а

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ыдг.-л ;сертаций 1

......ЦИ"|

Актуальность теш. Современный этап развития промышленного производства характеризуется прежде всего повсеместным техническим перевооружением технологических процессов. Это комплексная автоматизация на основе новейших достижений науки и техники, переход к безлюдной технологии изготовления промышленной продукции. В области автоматизированного электропривода это привело к увеличению доли разработок электроприводов о микропроцессорным управлением, предназначенных для различных систем воспроизведения движения с различными техническими характеристиками, оптимально удовлетворяющими требованиям конкретного технологического процесса. Причем зсе большее признание находит идея йяочно-модульной разработки, изготовления и поставки потребителю отдельных модулей или полных комплектов электроприводов.

Проектирование модульного комплектного электропривода для систем воспроизведения движения как единого целого позволяет наилучшим образом согласовать его элементы между собой и максимально использовать их возможности.

Обладающий архитектурной мобильностью по сравнении с другими типами электроприводов, многокоординатный шаговый электропривод (МШЭП) разрабатывался как разомкнутый по положению, базовыми элементами которого являются линейные электромеханические модули (ЭММ) на аэростатической опоре. В условиях согласованной работы нескольких координат электропривода при детерминированных нагрузках, область его применения ограничена. В этой связи в электроприводах все более широкое применение находят замкнутые структуры управления, использующие различные датчики обратной связи по положению и способы косвенного изменения характеристик движения, не изменяющие архитектуру двигателя, в том числе измерительные системы, интегрированные с конструктивом ЭММ.

Замкнутый по своим механическим координатам МШЭП получает новые функциональные возможности, необходимые для использования зго в прецизионных и многокоординатных системах воспроизведения движения (СВД) и становится функционально тождественным бесконтактному электроприводу постоянного тока.

В этой связи становится актуальной задача разработки кон-

струкцяй координатного шагового двигателя со встроенными для измерения его механических координат средствами, позволяющими создать электропривод со свойствами электропривода постоянного тока, сохранив при этом такие важные возможности МШЭП, как устранение кинематических преобразователей движения, пластичность композиционных решений при построении многокоординатных технологических комплексов.

Диссертационная работа является составной 'частью проводник на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ исследований и работ по созданию современного модульного многокоордк-натного электропривода в соответствии с Постановлением ГКНТ СССР и Президиума АН СССР ог 14.10.86г.

Цель работы состоит в создании нетрадиционных консгрукцвй, измерительных средств и замкнутых структур управления шогокоох дянатиым шаговым электроприводом.

Для достижения этой цели в диссертационной работе поставлены а решены следующие основные задачи:

- оптимизация алгоритмов управления МШЗП с использованием косвенных методов коррекции движения;

- анализ математической и энергетической моделей, позволяю цпй выявить принципа использования контуров управления и возбуждения модулей ЩД с целью получения косвенной информация о его механических координатах;

- разработка нетрадиционных конструктивов модулей ЩД со встроенными измерительными средствами; - -

- разработка методов выделения и обработки информационных сигналов нз контуров управления и возбуждения ЦЦ и их практического . использования;

- разработка схемотехнических решений замыкания МШЭП с различными видами обратных, связей;

- обоснование и разработка принципиально новых конструктивов модулей Щ с использованием штфрикштошшх покрытий рабочих поверхностей.

Метода исследований. Теоретические исследования базируются на сбчей теории электропривода и теории автоматического управления с использованием методов цифрового кодывфошнад аа ЗБ'Л. Зкспергаоптальная проверка теоретических выводов в результатов осуществлена на специально созданном стсндо с гвтодпгичесхой обработкой результатов ахеяеряшгга при отрогоа соог-ветскша

язичеоким процессам в электропривода.

Научная новизна работа состоит в следующем:

- предложена оптимизированная модель алгоритмов управления 1ЭП в зависимости от объема информационного обеспечения;

- предложен конструктивы модулей 1ДД со встроенными иэме-ггельными средствами;

- разработаны методы выделения, способы обработки и практичного использования сигналов ЭДС движения в фазной обмотке >дуля ЩД;

- разработаны метода выделения и способа обработки сигналов, ответствуюцюс значению Магниткой индукции в определенных учао-ах магнитного контура возбуждения ВД;

- разработаны замкнутые структуры МИЭП с различными видами мыканий по ошибке;

- предложены принципиально новые конструкции модулей ЩД с тифрнкщгоннигл покрэтиеи рабочих поверхностей.

Практическая декность работы заключается в том, что:

- разработанные метода выделения я способы обработки костных информацяояках сигналов шагового олектромоханического эобразователя о его механических координатах и их схемотех-гескнв решения позволяют создавать высокоэффективные компью-жзированнне системы управления ШЭП;

- разработаны конструктивы модулей СЩ со встроенными измз-■елькнми средствами, обеспечивающие высокге показатели ШЭП

I увеличения его массы и габаритов;

- разработаны структуры и схемотехнические решения замк-'ых ШЭП с различны»® вщат замыканий по ошибке с рекомвн-;кями по их использовании при разработке электроприводов;

- разработаны и предложена конструктивы модулей координат-ЩД с интеграцией функции опорных и измерительных систем с

ышением.прецизионности движения и с возможностями отказа от вмосистем;

- разработан и реализован стенд для исследования метроло-еских свойств измерительных средств л замкнутых ШЭП и опре-эния их параметров с возможностями автоматизации обработки ^льтатов эксперимента.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических <спер:. -пг.щ нкг V гедований использовались при разработке

s -

оштяых образцов конструктивов модулей ЩД с встроенными измерительными средствами, а также модулей обработки выделенных информационных сигналов в структур замкнутых МЭИ, которые внедрены на Вильнюсском заводе шлифовальных станков, а также при проведении совместных исследований по создании МШЭП с управлена емог системы типа CNC на фирма Р(иvitek Jtafia. (Италия).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре Станкостроительного 1Ш0 (г. Вильнюс, 1990 г.), на научных семинарах кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института (г. Москва, I989-I99I гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в двух печатни работах; получено 2 решения о выдаче а.с.

Структуре и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и прил жениЯ. Общий объем диссертации составляет 193 страницы, в том числе 127- страниц основного машинописного текста, 47 рисунков 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ

Введение содержит краткий анализ тенденций развития многокоординатных комплектных электроприводов для систем воспроизведения движения на базе координатных шаговых электродвигателей.

Сформулирована основная цель диссертационной работы, разработана и обоснована ее структура, выдвинуты положения, представляемые, к защите.

В первой: главе проанализированы требования к ЩЩ со сторо шогокоординатных технологических установок. Рассмотрены вопрос; оптимизации алгоритмов управления по объезд информационного обе печения исходя из поставленных целей управления ШЭЛ. Показана возможность использования простых преобразователей для косвенны измерений ошибок механических координат привода на основе анали за измерительных средств, используемых в электроприводе и инфор иационных способностей процессов электромеханического преобразо вания энергии в ШЭП.

Исходя из концепции построения ШШ и сохранения разработанных и широко применяемых методов управления ШЭП, обосновано использование программного векторного токового управления (ПТВУ для усиления априорного обеспечения. При ПТВУ работа ШЭП как в

- ? -

режима синхронного двигателя (СД), так и в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока (БДИТ) обеспечивается программированием токов так, что принципиальное различие между этими режимами исчезает, уступая место более общему и удобному представлению ИЩ как электромеханического преобразователя энергии (ЭМП) с фазовым, амплитедным или амплитудно-фазовым регулированием результирующего тока.

Целью регулирования становится не формирование заданного движения, а удержание привода на программно заданной через токи траектории движения, что позволяет оперировать не с полными значениями таких координат движения как программное значение фазы результирующего вектора тока ](]г) и координатой подвижного элемента 8 , а лишь с их отклонениями.

Вместо использования специального независимого информационного датчика, источником косвенной информации становится сам исполнительный двигатель, а электрический измеритель отклонений выбранных переменных от программных значений выполняет функции аулв-органа по отклонению от программы движения любой сложности. Кроме того, применение традиционных независимых датчиков полоке-1ия в случае координатного ЩД затруднено. Поэтому в работе обоо-ювано использование электрических переменных ЭМП в качестве косвенных датчиков состояния механических координат привода, отк-юнения которых доступны измерениям.и содержат информации о по-гоженки, скорости, ускорении, силе или моменте исполнительного >ргана. Сформулированы задачи исследований по созданию нового гоколення ИЩ, отличающихся конструкторскими решениями и техни-Гескими характеристиками, отвечающими самым высоким требованиям :о стороны современных технологических установок.

Во второй главе разработаны конструкции модулей ЩЦ со встро-нными измерительными средствами его механических координат на снове анализа энергетической модели ШЭП. Анализ энергетических ависимостей в динамике и информационных особенностей выделяемых игналов энергии, мощности, магнитной индукции, ЭДС движения ох-атывал все модификации магнитоэлектрических двигателей индуктор-ого типа. Поэтому использовалась соответствующая идеализироваи-вя модель неявнополюсной СМ с независимым контуром возбуждения органичения на законы изменения токов во всех электрических энтурах такой обобщенной машины изначально не накладывались.

Различные фкзгггские особенности изменения магнитной экер-

гии, магнитной индукции, мощности ЭДС движения проявляются в зависимости-от режимов работы привода и ограничений, накладываемое на питание и управление. Это дает нам возможность определить наиболее эффективный путь использования процессов электромеханического преобразования энергии для разработки косвенных методов измерения и корректирования механических координат привода. Выявлены информационные способности контуров управления и возбуждения ШД.

Соотношения между электромагнитным моментом Мэ" или силой / с одной стороны и магнитной энергией W„or, коэнергяей W»,-c другой стороны, в потенциальном поле сил весьма просты, особенно для идеализированного линейного ЗМП с синусоидальной магнитной геометрией.

Мгновенная электромагнитная энергия, подводимая к обмоткам управления при любом способе питания машины полностью расходуется на изменение магнитной энергии поля связи якоря и индуктора (статора и ротора). Электромагнитная энергия якоря 1лЛ>« при питании в соответствии с оптимальным годографом тока < когда Ui,di,/dt + lsixd4/dt =0 , где ¿^ - собственная индуктивност: фазной обмотки Ls = Lu = Lxi) расходуется в основном на преобразование з механическую энергии Ws* ~ W»". Следовательно если по1 аозбувдекия создается постоянным магнитом или обмоткой питаемой от источника тока (И), то = const,Wjn=~ Величину ciy/dt ко.тао измерить о помощью специальной измерительной обмотки на постоянном магните контура возбуждения ЩД. Снимаемая с такой обмотки ЭДС оказывается пропорциональна магнитной энергии поля электромагнитной связи шшиш si может использоваться для построения косвенных з^нрителыгьк систем положения электропривода.

Лея получения кифорггэдяи о г,тисненном состоянии ШД разработаны метода гцделенкя к способы обработки ситналоо ЭДС движекия, паводишх иовоерзлегаеаю и обмотке уцравлоаая, Б сосгштстски с предложенным кетодом хошенсадии ко суилариого ябврязетм па обмотке управления ШД Езделяются составдадацие, кс содзрзаздяс ОДС двикеяня. л коивеяскрувтса сигналами, с$о&икзогаагив&1 раарлбо-т-ашглм элсктрсиним устройством.

Согласно упра!»:о:кЕ> олестрачосхого равяссос»?

V' Rl+Ldi/di в ,

[с ¿ « Im sin¡f - заданный и поддерживаемый ИТ ток в обмотке.

Член уравнения iRtp может быть скомпенсирован сигналом, юрмированннм как падение напряжения в цепи с эталонным сопро-[влением и заданным током i , преобразованное линейным усилите-м. При этом ¿R'KtCRf. , где /6 - коэффициент усиления.

Член уравнения L di/dtvaxxs не содержит составляющих напря-ния, наведенных подвижным элементом. Его компенсация осущест-лется напряжением, сформированным в цепи с эталонной инцуктив-стью Lp и лине&шм усилителем, то остьV]~¿R¡~H?Ljdi/dÍ'Ldl/dtt ;е Кг - коэффициент усиления. Амплитуда компенсирующего напря-няя Vj-iRj пропорциональна Xl *J0JL¡, фаза if= aiCt^L^/f^. Это ачит, что должны соблюдаться услозкя

[ L¡K*Ud¿,/dt'ÍLdc/dt ; ( txict<j Lj/R; s aicty Lp

Последние уравнения показываеют, что компенсация, возможна, ли характеристики L и L¡ индентнчнн в полном диапазоне из-нения частоты и амплитуда. Приведена подробная методика подбо-is .

На рис. I представлена электрическая схема реализация рас-атриваемого метода.

Другой, разработанный метод выделения ЭДС движения, показав-I при испытаниях ría шкета хорошие результаты, заключается в здужцем. При подаче стачка напряжения з электрическую цепь, со-эяащую индуктивность 2 активное сопротивление, переходной прозе установления тока описывается зкепонешдаальпци уравнением, логичным уравнением оипснвается переходный, процесс установим напряжения для PC-цепи. Исходя из подобия процессов, мож-в реальном врзмзни скомпенсировать сигнал с датчика тока в лотке ИЩ напряжением па кондвпеагоре, зарялащшея от того ие фяяенпя, которое подведено it обио.тке Щ. Если эти два процес-в статике полностью компенсируют друг друга, го при наличии : движения будет возникать разница, которую и молено использо-ъ в качестве сигнала косвенного датчика полояетю электропрэ-ia.

Предложены также способы обработки выделенного сигнала ЭДС кения. Они распространяются на сигналы, полученные с пары •ктричег пщпог-я'-'-я-- располг'т.опга«. ойноток. Этет условия?,?

Pec. 2

удовлетворяет основная масса всех типов шаговых двигателей отечественного и зарубежного производства, имеащих 2-х- или 1-х-фазную систему питания. При выделении сигналов ЭДС движения от этих источников получают два синусоидальных сигнала, сдвинутых относительно друг друга по фазе на уголТ/ё . Способы обработки позволяют получить информацию о мгновенном значении аргументов синусоидальных функций то есть выделять сигналы определяющие положение подвижного элемента ВД. Выходная информация датчика ЗДС в зиле'пары синусно-хосинусных сигналов ставит его в один ряд с традиционными синусно-косинуснымк датчиками положения, поэтому к нему можно применять способы обработки, обычно используемые для подобных датчиков. Специфичным для датчика ЗДС является отсутствие сигнала .в начальной фазе движения в отсутствие информации об абсолютном пояснении. Последнее обстоятельство заставляет использовать в необходимых случаях в замкнутых контурах ШЭП специальные реперные датчики положения или комбинировать' измерительные средства.

Как уже отмечалось, установлено, что контур возбуждения обладает широкими возможностями для выделения косвенных сигналов о механических координатах ВД. На основании этого положения разработан конструктив модуля индукторного шагового двигателя с так называемым магнитоиндукционяым датчиком, упрощенная конструкция которого приведена на рис. 2. Аддукторный шаговый электродвигатель состоит из якоря I ж индуктора 2. В якоре расположены пары П-образных магнитопроводов 3, 4 и 5, 6с зубчатыми полюсами, разделенные постоянными магнитами 7 и 8 и охваченные обмотками управления 9 я 10. Зубцы полисов якоря расположены параллельно зубцам индуктора,, имеют одинаковый зубцовый шаг X и взаимные■сдвиги. На постоянных-магнитах 7, 8 расположены измерительные обмотки II, 12, а на П-образных магнитопроводах -измерительные обмотки 13,-14, 15, 16.

Индукторный ШД функционирует следующим образом: на обмотки управления подают изменяющиеся в функции времени или положения токи или напряжения и якорь совершает движение вдоль поверхности индуктора, при этом под зубцами полюсов якоря по гармоническому закону в функции координаты положения 6 изменяется магнитная проницаемость зазора и величина магнитного потока, создаваемая постоянным магнитом и током обмоток возбуждения. При питании измерительных обмоток II я 12 переменным напряжением 11а =

= í//s¿7zky¿(здесь U, и k-1/- соответственно амплитуда и частота напряжений возбуждения) в измерительных обмотках индуктируются сигналы ЭДС взаимоиндукции

V» = cos sv/t-x)s¿n (Jj t ;

Un - {Uo-Urt C0s24/t-x)sin CJf t ;

Un » (Uo -U» s¿n 2'f/v x)s¿n (Of t ;

Un, = (Uo + U«, &¿n3J¡/?-x) sin tift >

где l]o и Um — соответственно среднее значение и амплитуда изменения сигнала ЭДС взаимоиндукции.

Производя вычитание сигналов

U'i - Un = £ Un, cos ¿T¡/tx ■ sí'/г cJj t ; Ок - V/s Un, sin 2У/Т-Х • á¿n OJjt J

получаем сигналы которые содержат информацию о положении якоря в виде синус-косинусной функции.

При анализе энергетической модели ШЭП выявлено, что магнитная энергия является гармонической функцией динамической, ошибки. Показано, что при этом сама магнитная энергия пропор-цилнальна величине потока, пронизывающего постоянный магнит, то есть индукции на рабочей поверхности магнита. Следовательно величина этой индукции, измеренная с помощьи преобразователей магнитного поля (магниторезистивных, MP-преобразователей, датчиков Холла), позволяет судить о механических координатах электропривода.

На рис. 3 приведена упрощенная конструкция разработанного двухфазного линейного ЩД с независишм ..возбуждением от постоянного магнита, оснащенного преобразователями магнитного поля. Электродвигатель состоит из якоря I и индуктора 2. В якоре расположены П-образнне магнитопровода 3 и 4, разделенные постоянным магнитом 5 и охваченные обмотками -управления 6 к 7. На торцах магнита расположены датчики величины магнитной индукции 8 и 9. При работе ЩЦ протекающие в обмотках управления токи создают в .соответствующих им контурах переменные магнитные потоки. Показано, что в месте расположения датчиков эти потоки в сумме с потоком возбуждения постоянного магнита создают индукцию, зависящую от угла (р , равного <р = f-в * f-¿т/Т ■ X,

где Z - величина зубцового деления; X - линейное перемещение.

Графо-аналитический расчет подтвердил оптимальность вобранного расположения датчиков в мапйгтноз. системе двигателе;!-данного типа для использования полупроводниковых магнитных преобразователей поля, но выявил сложность гармонического состава измеренных сигналов магнитной индукции в функция положения подвижной части двигателя, наличие фллктуаций постоянной составлявшей магнит ой индукции, связанной с неравномерность» воздушного зазора аэростатической опоры (рис, 4). Это обстоятельство вынудило отказаться от работы непосредственно с сигналом, пропорциональным магнитной индукции. Необходимостью стало выделение сигнала, соответствующего электромагнитной силе, имеюдея строгую зависимость от положения ШД.

В третьей главе разработан градиентных метод измерения электромагнитного усилия двигателя. Протекание токов в обмотках управления электродвигателя создает магнитный поток Ф . Полагая токи в обмотках измэяя-адлмися в соответствии с выражениях-л Tsr>SÍ/iJ* и /'?> cos, получаем выражение суммарного магнитного потока и суммарной магнитной индукции в местах расположения датчиков'

Ф а ф„ ->■ фт ¿os <f -- Ф (</>) ;

и - 8з ч- 8т cosip = 8 (у>) > где ip=f-G .

Ус"7:::з Oíomoíit), разливаемое яря этом двигателем, будет срОПОрЯ'О.Р аяо

d Ф(У/с!</ zdB/d Vsfcsiñ 5о.

Счшх'мо, яте з&шл'ага здвктродолтнего усиляя (мо.уопта) "9 содержи' вссш-игасЛ ссстеллшпей. Для опродслеяяя прсизасд-лоЗ <I>yi: vui!'' деехг.го«!»» тсп:::м у; про стаи мо.'ует считаться метод rp;y;;;e¡;ri, полагая поя arc"

р?)/лА в у> у

HÍ'.'Í ágc:.'nj'iüo л'/' .

поиска',,,.редлагаеигд метод, ьрад-

;';<\Ч'<?;о:;а на рис. 5,

—!

ç

-в-

-CZh

Рис. 3

tx *At**m

г л -ггд * 2л со%гв * ces ve

B-Be+Bscosl8 *В,се$Чв

Z3, - суммарная магнитная провс . мость Магниткой цеш модуля ШД

Рис. 4

«

гпс —»■ <?а

sinVt

чти ctsvf к

Рис. 5

На ьход модуля привода в соответствии с управляем сигналом и* (Г) подается периодическое модулирудаее воздействие V№*asijnS¡nbht высокой частоты tín с малой амплитудой а . Оно явяляется поисковым сигналом и вырабатывается генератором Г. Отклик на поисковые воздействия выделяется из сигнала U (В) на выходе преобразователя поля полосовым фильтром ПФ, настроенным на частоту поиска (Jn í ЮА ( Л> - резонансная частота фильтра).

Выделенная ffi> составляющая сигнала tfsfój, кмешш частоту Оп ,. подается на синхронный детектор СД, на второй вход которого подается модулирующий сигнал с выхода фазовращателя ¿3 Un = « a sin (<¿>n t+ Ve) , где Ye ' Фазовый сдвиг полского воздействия, обусловленный инерционными свойствами ШЭЛ. Далее сигнал усредняется фильтром 4НЯ, после чего он может использоваться 'как сигнал силы (момента), развиваемый двигателем. Частота среза ФНЧ приблизительно равна 4 •* 5 J?o .На базе ПИЗУ построен узел компенсации четвертой гармоники измеряемого сигнала магнитной индукции в функции положения, влияние и вес которой был выявлен при анализе гармонического состава информационного сигнала.

Измерять, электромагнитную силу или момент двигателя данным методом можно, используя в качестве измерительного элемента об-•готку на постоянном магните двигателя. Необходимый, информационней сигнал выделяется из измеренной ЭДС на ее зажимах.

Предлагаемый метод измерения усилия универсален. Он позволяет измерять при специальной обработке сигнала не только динамическую ошибку У , но и электромагнитное усилие, фиксировать различные изменения нагрузок, усилий и моментов в двигателях, работающих в сочленениях, определять предельные значения усилий (моментов) при работе на врезание или на упор.

Разработаны замкнутые структуры ШЗП с использованием созданные конструктивов модулей Щ и измерительных средств.

Двухканалышй способ управления предполагает наличие двух информационных потоков f^er и Гярвг от программного носителя (ЧПУ, ЭВМ). По первому каналу задается программа движения fnpor алектропривод в этом случае псевдозамкнут. По второму каналу поступает на вход сумматора задание на усилие F^ . В процессе обработки программы fip* электрическое состояние ЩД меняется. Для его контроля в вычислителе силы по сигналу преобразователя

магнитного поля ДГЛИ рассчитывается мгновенное значение электромагнитной силы. Полученная в результате расчета электромагнитная сила сравнивается с программно заданной • Результат срав-

нения др* Г«^ - Р"зн через регулятор поступает на вход сумматора, где, с учетом знака, складывается с числом, представляющим программу движения. Результат суммирования поступает на вход преобразователя. При этом результирующий вектор тока получает коррекгирущее смещение относительно программного состояния в направлении уменьшения . Кроме того, сигнал с выхо-

да вычислителя силы может Сыть подан через регулятор на.преобразователь для коррекции амплитуда тока в фазах- двигателя, обеспечивая при этом оптимальные режимы работы двигателя в зависимости от нагрузки.

Косвенные датчики и методы измерения информационных параметров, предложенные в работе и предназначенные для организации замкнутых структур ЩЭП, обладают в совокупности многообразием технических характеристик. Это позволяет использовать комбинационные . варианты их применения для компенсации их отдельных недостатков.

Разработана и предложена структура замкнутого ЩЭП с двух-зонным регулированием. Б начальной фазе движения и при движении со скоростью ниже значения, определяемого наличием устойчивого сигнала ЭДС движения, электропривод замкнут с помощью ДМИ. Переключение из первой зоны во вторую происходит каждый раз посредством электронных ключей при наличии сигнала готовности, вырабатываемого вычислителем ЗЛС движения при ее установившемся значении. Отсутсвие сигнала готовности автоматически переводит электропривод в первую зону работы с датчиком магнитной шадук- -цли. Так как отсутствие сигнала в начальной фазе движения не. позволяет использовать вычислитель ЭДС движения для непосредственного формирования фазных токов ЩЦ, то предлагавши вариант замыкания привода имеет изменяемую структуру в зависимости от наличия дополнительного датчика положения. Это и позволяет осуществлять различные комбинационные манипуляции при разработке электроприводов для конкретных технологических установок.

Разработанное устройство может работать как с вычислителем ЭДС движения, так и с любыми информаторами о положении, генерирующими пару синусно-косинуеннх сигналов с периодом, равный полюсному делению ЩД.

- Г7 -

Если для технологического процесса требуется работа ИД в широком диапазоне скоростей с заданной точность» и надежностью отработки программного движения, особенно для пленарного исполнения двигателя, может быть использована разработанная замкнутая по положению структура с индукторным иагозым двигателем со встроенными измерительными обмотками. Для организации замкнутого по положению ШЗП используются сигналы дополнительных измерительных обмоток H0Ij\_4 в парах П-образных магнитопровэдов (рис. 6). При этом на измерительную обмотку ГО подают переменное напряжение Ua'StrtU„tt помощьп которого в дополнительных обмотках И0ДХ_4 индуцируются ЗДС взаимоиндукции в соответствии с зависимостями . , v, ... i r\

Vet = 3 V» sin i ees & t

Usí = SU™ ■sin O)/, t si л $

где Юп - частота переменного высокочастотного напряжения измерительной обмотки.

. Затем полученные ЭДС фильтруют в Ф и ФНЧ и детектируют в БУ, получая напряжение вида

\),'2Vn,c0s9 {

Us ~ 2 Um SÍn & •

Далее после умножения на опорные синусно-косинусные сигналы U°'-SÍ/2/" , Va " COs f и суммирования результатов умножения в АК, определяют мгновенную ошибку мезду значениями программного xi фактического положения якоря в соответствии с выражением

Л

(üo, Vi - и» u^/pVrr.

где п В - соответственно программное и фактическое поло.тз-якоря (ротора) двигателя; Uo и U» - соответственно среднее и наибольшее отклонения аггщитудн сигнала от среднего значения. ЭДС взагаояндукаил в дополнительно введенных измерительных обмотках.

Далее сигнал ¿ Q через АЦП вводится в контрохчер, где сравнивается с проградано заданным значением Qy и вырабатывается сшхад задался «а токи уцрааденкя.

Пдааита обмоток щ от управляемого ИТ, дазгояяаагее обеспечить еоотаететгзд программного ущапл.тащэго воздействия требуе-

г.'ому усилию, делает возможным использование одновременно дза различных по своей физической природе для получения информационных сигналов.

Представлен датчик скнусно-косикусшге сигналов, разработанный на базе датчика силы и датчика ускорения акселерометра, а также вариант замкнутой структуры ¡НЭП с комбинационным датчиком обратных связей по положения, силе, моменту, скорости, ускорению, позволяющий решать задачи коррекции одновременно нескольких координат привода.

Четвертая глава содержит материалы разработки принципиально новых конструктивов модулей ЩД, интегрирующих измерительную и опопрнум систеш на базе антифрикционных узлов из лейкссапфира и антифрикционных покрытий алмазоподобными материалами.

Отказ от воздушной опоры летает 1ЯЭИ ряда кедсстаткоз, значительно повняает его точность, шея в виду возможность совмещения функции опорных поверхностей с измерительными устройствами, специальные покрытия увеличивает его ресурс и дают возможность работы з вакууме.

• Предложены рекомендация по выбору преобразозателя магнитного поля. Представлены инженерные разработки и схемотехнические решения вычислителей czw и ЭЛС.

Для метрологических аттестаций и определения параметров ЩД разработан автоматизированный экспериментальный стенд, поэволкэ-пкз; определить технические характеристики разработанных измерительных средетз и структур замкнутого ЕЭЛ с возможностями автоматизации обработки результатов эксперимента. Точность предлагаема измерительных средств ¿(10-25) мкм, диапазон скосростел замкнутых структур 1000/0,001 при сравнительно низка затратах на техническую реализацию. Точность-датчика силы составляет 8%.

Стенд позволяет регистрировать угловые характеристики ЦД, проводить спектральный и качественный анализ.

На рис. 7 прздставлено семейство угловкх характеристик 11Щ з пределах зубцового деления.

В приложении приведены таблицы результатов метрологических аттестаций ir документы, подгзерздахгдяе внедрение результатов работа,

OCHOBH4F, РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ .

I. На оснодо анализа математической модели, информационного

обеспечения управления установлено, что ПТВУ существенно повышает априорное обеспечение ШЭ11 и позволяет применять простые датчики регистрирующие процессы преобразования энергии.

2. Выявлены принципы использования контуров управления и возбуждения Щ с целью получения апостериорной информации.

3. Разработаны косвенные методы и средства замыкания координат привода, базирующиеся на извлечении ЭДС движения и магнитной индукции, что позволяет сохранить структуру замкнутых систем привода Т!ез использования специальных датчиков.

4. Разработаны конструктивы модулей 11Щ со встраиваемой, измерительной системой его механических координат.

5. Предложены комбинированные измерительные системы, позволяющие осуществлять взаимную компенсацию недостатков отдельных датчиков, регистрировать большее число текущих координат привода. .

6. Разработаны структурные и схемотехнические решения устройств управления с косвенным измерением координат, обладающие техническими характеристиками, максимально приближенными к характеристикам приводов с независимыми датчиками положения и • скорости.

7. Экспериментальные исследования, проведенные на физической модели ¡НЭП с разработанными косвенными видами замыканий, по ошибке, подтвердили результаты теоретического анализа.

8. Предложены конструктивы ЩД, интегрирующие измерительную и опорную системы, обеспечивающие прецезионность и возможность работы.в вакууме.

9. Разработанные для линейного и координатного НИ методы выделения информационных сигналов, конструктивы устройств выделения информации и структуры управления применимы и для пово- ' ротных ЩД.

Основные .результаты работы отражены в следующих публикациях:

. I. Доброслов В.Г., Московская Е.С. Способ получения информации о характеристиках движения линейного шагового двигателя с помощью магниторезистивного датчика/М., 1990 - 9с. - Деп. в Ин-форэлектро, 10.04.90. S 26-ЭТЭО.

2. Доброслов В.Г., Кабалия М.И., Московская Е.С. Способ измерения, усилий и моментов многокоордияатнкх шаговых- электродвя-гателей/М., J990 - 9с. - Деп. в Информэлекгро, 19Л1.90.й148-ЭТ90„

Подписано к печати Л — "" ^• ,

JU-ч. л. /J£> Тира»:

Типография МЭИ. ¡л,