автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка высокочастотного модульного электропривода гибких автоматизированных производств с управляемыми инверторами тока

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Краткая характеристика современного этапа развития теории и практики дискретного электропривода. Постановка задач исследования

1.1. Особенности построения программных перемещений средствами дискретного электропривода.

1.2. Программирование параметров движения. Методы формирЬЕания электрических состояний ШД.

1.3. Требования к инверторам дискретного электропривода. Постановка задач исследования.

Выводы по главе.

ГЛАВА П. Режимы работы и основные характеристики инверторов МДЭП.

2.1. Классификация способов построения инверторов МДЭП. Режимы работы.

2.2. Силовые ключевые элементы

2.3. Способы организации режима переключений

2.4. Основные характеристики инверторов тока, работающих по принципу "токовый коридор".

2.5. Потери мощности в транзисторах ключевого инвертора при регулировании тока по принципу "токовый коридор".

2.6. Влияние инерционности транзисторов на процесс стабилизации тока.

2.7. Оценка статической точности стабилизации тока в мостовых инверторах без обратных диодов.

Выводы по главе.

ГЛАВА Ш. Перспективные технические решения инверторов тока МДЭП и их математические модели в составе электропривода.

3.1. Ключевые инверторы тока, работающие по принципу "двойного токового коридора". 93 3.2. Математическая модель МДЭП при регулировании тока в фазах ШД цо принципу "токовый коридор".

3.3. Анализ колебаний МДЭП, вызванных пульсациями тока.

3.4. Моделирование колебаний МДЭП.

3.5. Ключевые инверторы с компенсацией пульсаций тока.

Выводы по главе.

ГЛАВА 1У. Проектирование дискретного электропривода

Г АЛ с управляемыми инверторами тока. Экспериментальные исследования.

4.1. Выбор элементов электропривода ГАП и определение их основных параметров

4.1.1, Связь главных размеров ШД с требованиями задания.

4.1.2. Выбор типа и основных параметров инвертора. Связь габаритов инвертора с требованиями задания

4.2. Определение закона управления, обеспечивающего электроприводу заданные динамические показатели.

4.3. Экспериментальные исследования.

Выводы по главе.

Современный этап развития ведущих отраслей цромышленности характеризуется резким расширением номенклатуры и быстрой сменой выпускаемых изделий. В этих условиях одним из основных, если не главным, средством повышения производительности труда и эффективности использования трудовых ресурсов является создание гибких автоматизированных производств (ГАП), ориентированных на безлюдную технологию.

ГАП должны удовлетворять ряду принципиально новых требований, главными из которых можно назвать функциональную гибкость, высокую мобильность и цроизводительность. Технические средства, реализующие ГАП, обязаны обеспечивать быструю переналадку технологического оборудования с одного изделия на другое, сочетать широкую универсальность с цроизводительностью и надежностью специализированных агрегатов и быть полностью унифицированными.

Неотъемлемым качеством промышленных роботов (ПР) как элементов ГАП является сочетание транспортных технологических операций - маршевых перемещений с точными региональными перемещениями.

Элементная база модульного многокоординатного дискретного электроцривода (МДЭП) максимально приспособлена для решения перечисленных задач и в ряде случаев может конструктивно сливаться с производственным участком. При микропроцессорном управлении без кинематических преобразователей движения имеется принципиальная возможность получения сложных взаимосвязанных пространственных перемещений. При этом точность, производительность и стабильность метрологических характеристик оборудования, построенного на базе МДЭП, существенно возрастают.

Для обеспечения энергетических и силовых: показателей в безредукторном приводе, эквивалентном приводу с кинематическими преобразователями движения, требуется увеличение полюсности двигателя за счет уменьшения зубцового деления ^ ДРИ адекватном ему уменьшении воздушного зазора так, чтобы ^/^f20=COnst. При этом, для обеспечения рабочих скоростей около 0,5 м/с требуется частота управления в несколько килогерц. Вместе с тем, высокие статические и динамические показатели в приводе достигаются только при точном формировании во всем частотном диапазоне заданной формы токов в фазах двигателя,

Б теории дискретного электропривода разработаны методы и структуры управления, позволяющие сочетать достоинства шагового электропривода (ШЭП) с достоинствами классических систем электропривода [l,2,5j . Выполнение требований к форме заданной кривой фазного тока дает возможность снизить требования к точности изготовления двигателя и упрощает синтез привода с заданными свойствами.

Отличительной чертой МДЭП является невозможность применения в нем в широком частотном диапазоне работы традиционных для классических систем электроприводов технических решений инверторов тока.

Актуальными в этой связи являются поиск технических решений управляемых инверторов тока, максимально учитывающих специфику дискретного электропривода, и получение математического описания для их инженерного синтеза в составе электроцривода.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. На основании анализа характерных режимов работы дискретного электропривода с шаговыми двигателями показано, что реализация сложного многокоординатного движения с заданным уровнем статических и динамических ошибок требует гибкого изменения структуры цривода в сочетании с питанием фазных обмоток двигателя от управляемых инверторов тока.

2. Сформулированы требования к инверторам МДЭП, учитывающие конкретные особенности применяемого ПЩ, дана классификация и рассмотрены характеристики известных технических решений инверторов, обоснованы в качестве базовых для широкого применения в МДЭП транзисторные ключевые инверторы с заданным уровнем пульсаций тока.

3. Предложены технические решения и приведены сосновные характеристики ключевых инверторов тока для управления ШД, обладающих улучшенными точностными, динамическими и энергетичеа-кими показателями в широком частотном диапазоне работы электропривода.

4. Приведены математическое описание и исследование колебательных процессов в электроприводе, вызванных пульсациями фазного тока ШД при его питании от ключевых инверторов тока.

5. По результатам моделирования уравнений дискретного электропривода с учетом особенностей применяемого инвертора получено обобщенное математическое описание цривода, пригодное для решения задач синтеза электроприводов с заданными отклонениями параметров движения от программных средних значений.

6. Показано, что дальнейшему улучшению точностных показателей в МДЭП с ключевыми инверторами тока препятствуют потери мощности в коммутирующих элементах инвертора и в ШД. Предложено техническое решение электропривода с инвертором тока, сочетающим достоинства ключевых и непрерывных методов усиления.

7» Полученные рекомендации и оценки позволяют в простой и строгой форме ставить и решать основные задачи проектирования электропривода, в частности, прогнозировать механические и динамические характеристики привода для заданного инвертора или назначать требования к параметрам и элементам инвертора при заданных требованиях к характеристикам привода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является составной частью исследований в области дискретного электропривода с шаговыми двигателями, проводимых в МЭИ в тесном содружестве с промышленностью и для ее нужд. Основным итогом работы является разработка методов синтеза модульного дискретного электропривода с управляемыми инверторами тока, в том числе с инверторами, обладающими улучшенными точностными, динамическими и энергетическими показателями.

1. Дискретный электроцривод с шаговыми двигателями./Под ред. М.Г.Чиликина.-М.: Энергия, 1971, - 624 с.

2. Замкнутый дискретный электропривод с цифровым управленмем. Чиликин М .Г., Цаце нкин В .Е., Крючков В .Н. Тр. AIock. э нерг, ин-т, 1978, вып.325, с.4-11

3. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Кожин С.С. Физические принципы и структуры электрического дробления шага.- Тр./Моск.энерг. ин-т, 1979, вып.440, с.5-20

4. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1975. - 184 с.

5. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф, Шаговый электропривод в робототехнике. 4.1. -М.; Моск.энерг.ин-т, 1984. 100 с.

6. Бесекерский В,А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 767 с.

7. Высокочастотный шаговый привод с дроблением шага./ Ивоботенко Б,А., Садовский Л.А. и др. Тр.№ оск.энерг.ин-т, 1975, вып.220, с.24-33

8. Пат,100593 (гдр). Einrichtung гит Einstellen ионк

9. Schrittmotoren auf егпе ЪеЫЫде Zt&оschen-Position, авт.изобрет. WatosCzyk 3аявл.03.11.72.

10. Пат.1279393 (Англия) Impovement in or relatungto the control Of etec-tric motors , авт.изобрет. Couingwood Gt.H. Заявл.08.10.69; Опубл.28.06.72; МКИ H02 p 7/00

11. Пат.2128999 (франция) Curcuit de command de motenerpar commutation elect гопЩие ses enroulemenstsLa7elEl., авт.изобрет, BaSSiere J. С. Заявл.10.03.1971; Опубл.27.10.73; МКИ НОУ

12. Многокоординатный дискретный электропривод. /Под,ред. Б.А.Ивоботенко, Н.Ф.Ильинского. Тр./Моск.энерг. ин-т, 1979, 88 с.

13. Структура цифрового двухкоординатного линейного шаговго электропривода./Мёлкумов^ Г.А., Доброслов В.Г., Кожин С.С. -Т./Моск.энерг.ин-т, 1979, вып.413, с.7-12

14. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители. М.: Энергоизда, 1982, - 126 с.

15. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982, 495 с.

16. Руденко B.C., Сенько В.Н., Чиженко И.М.,Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1980, 418 с.

17. Леоненко Л .И. Полупроводниковые форсирующие схемы. М.: Энергия, 1974, 93 с.

18. Степаненко Н.П. Основы теории тразисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977, 670 с.

19. Конев Ю.И. Транзисторные импульсные устройства управления электродвигателями и электромагнитными механизмами. М.: Энергия, 1964, 120 с.

20. Коссов О.А. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. М.: Энергия, 1971

21. Сабинин Ю.А., Кулешов В.И., Шмырева М.М. Автономные дискретные электроприводы с силовыми шаговыми двигателями. Л.: Энергия, 1980, 158 с.

22. Режимы работы и способы повышения надежности транзисторных ключей в преобразователях систем электропривода/Глазенко Т.А., Синицин В.А. и др., Киев ИЭД, АН УССР.

23. Алексеев С.В., Клюй А.Н., Семенцов С.А. Аннотация обзорапатентной ситуации по теме "Модули транзисторных ключей". Электротехн.пром-сть сер.Преобраз.техн., 1982, вып.6

24. Croissance moderee des semiconduc-ters de puissance Electronigue Industriell, 1983, N51/15-0^^.9^ранция).

25. Валковой А.П., Пискунов А.Г., Майоров В.В. Универсальный усилитель мощности для дискретного электропривода. Тр./'Лоск, энерг.ин-т, 1980, c.III-120

26. Букреев С.С. Силовые электронные устройства. М.: Радио и СЕЯЗЬ, 1982, 255 с.

27. Бочкарев О.Е. Особенности бесколлекторного двигателя, питаемого от источника тока. В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Конева Ю.И. Вып.9, М.: Сов.радио, с.200-208,1977

28. Конев Ю.И., Розно Ю.Н., Бочкарев О.Е. Свойства бесколлекторного двигателя при питании его от трехфазного источника тока.-В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Конева Ю.Н., вып.9, М.: Сов.радио, 1977, с.208-214

29. Рубцов В.П. Инверторы для шагового электропривода с дроблением шага. Тр«/Моск.энерг.ин-т, 1980, вып.477

30. Конев Ю.И., Машуков Е.В., Мелешин В.И. Уменьшение мощности, рассеиваемой за время переключения, в транзисторах с активно-индуктивной нагрузкой. В кн.: Полупроводниковые приборы и их применение. Под ред.Я.А.Федотова. Вып.18, М., Радио, 1967,с.222-235

31. Лаптев Н.Н., Моин B.C. Снижение динамических потерь в транзисторах статических преобразователей.-В кн.: Преобразование частот и фаз в технике сильных токов. Вып.2, М.: ВНИИЭМ, 1966

32. Каган В.Г., Усачев А.П. Режимы переключения транзисторных ключей в преобразователях систем электропривода.-Электротехн.пром.-сть. Сер.Электропривод, 1981, вып.5 (94), с.13-15♦ *

33. Васильев B.C. Мощные импульсные транзисторные каскады для активно-индуктивной нагрузки.-В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Ю.И.Конева. Вып.8, М.: Сов.радио, 1976, с.173-183

34. Машуков Е.В. Транзисторные устройства коммутации и защиты сетей постоянного тока. В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Ю.И.Конева, Вып.9, М.: Сов.радио, 1977, с.18-30

35. Ландышев А.Б., Медведев Ю.А., Сергеев В.В. Силовой транзисторный ключ. В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Ю.И.Конева. Вып.13, М.: Радио и связь, 1982,с.203-207

36. Каган В.Г., Усачев А.П. Быстродействующие глубокорегулируе-мые транзисторный электропривод постоянного тока.-Электротехн. пром.-сть. Сер.Электропривод., 1981, вып.З

37. Stokes, R. JutLruaUonab Semiconductor Pourer

38. Conference, Lake dulna tfista, 1977.

39. Boto-ier P. Pourer transistors in variable speeddrives, „ Electron and Power. 1978,24 «10, p. 730-736.

40. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводе. М.: Энергия, 1965, 187 с.

41. Фесенко М.Н. Переходные процессы в импульсных транзисторных и тиристорных системах. В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Ю.И.Конева, Вып.1. М.: Сов.радио, 1969, с.110-122

42. А.с.2959760 (СССР). Устройство для управления шаговым двигателем/Авт.изобрет.Рожанский Ю.З., Рубцов В.П. и др.-Заявл. 16.06.80; Опубл. в БИ, №4, 1982

43. Принципы построения инверторов для шаговых двигателей с электрическим дроблением шага/Козаченко В.Ф., Красовский А.Б. и др. Элек-тротехн.пром-сть, Сер.Электропривод, 1984, вып. 10, с.1-4

44. Шмитц Н., Новотный Д. Введение в электромеханику. М.: Энергия, 1969. - 345 с.

45. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия, 1964, - 526 с.

46. Кожин С.С. Разработка дискретного позиционного электропривода с электрическим дроблением шага: Автореферат канд. дисс. МЭИ, 1984. 20 с.

47. Чхартишвили Г.С., Чхартишвили Л.П. Цифровое моделирование динамических систем. М.: Моск.энерг.ин-т, 1978, - 75 с.

48. Ильинский Н.Ф. Элементы теории эксперимента. М.: Моск. энерг.ин-т, 1980. 90 с.

49. Основы теории цепей/Зевеке Г.В., Ионкин А.П. и др. М.: Энергия, 1975, 750 с.

50. Гончаров А.Ю. Регуляторы мощности на основе взаимодействия усилителей импульсного и непрерывного режимов. В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Ю.И.Конева. Вып.II, М.: Сов.радио, 1980, с.201-206

51. Гончаров А.Ю. Непрерывно-импульсные стабилизаторы напряжения с регулирующим транзистором в непрерывной части в граничном режиме. В кн.: Электронная техника в автоматике/ Под ред.Ю.И.Конева. Вып.12, М.: Радио и связь, 1981, с.109-112

52. Гончаров А.Ю, Усилители в граничном режиме. В кн.Электронная техника в автоматике/Под ред.Ю.И.Конева.Вып.12, М.: Радио и связь, 1981, с.83-92

53. Кибакин В.И. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия, 1980. - 232 с,

54. Красовский А.Б. Способы повышения точности формирования тока в фазных обмотках шаговых двигателей: Деп. научная работа. -М.: Информэлектро. 1984, №122, ЭТ-84, Деп. 12 с,

55. Конев Ю.И, Энергетические возможности миниатюризации силовых (Полупроводниковых интегральных устройств. В кн. Электронная техника в автоматике. Под ред.Ю.И.Конева. Вып.З, М.: Сов.радио, 1973

56. Мелешин В.И. Энергетические соотношения включевых преобразователях постоянного напряжения. В кн.: Электронная техника в автоматике/Под ред.Ю.И.Конева. Вып.9. M.s Сов.радио, 1977, с.83-98

57. Курашов В.И. Сравнительный анализ структурных схем микроэлектронных ИВЭП. В кн. Электронная техника в автоматике /Под ред .Ю.И.Конева. - Вып.13, М.: Радио и связь, 1982, с.74-83.

58. Основы автоматизированного электропривода/Под ред.М.Г.Чи-ликина. М., Энергия, 1974. 567 с.