автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Управление исполнительными устройствами систем автоматизированного электропривода на основе бесконтактных двигателей постоянного тока

На правах рукописи

Кукушкин Юрий Тимофеевич.

УДК. 621.313.1

УПРАВЛЕНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ БЕСКОНТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Am ореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва 2004

Рабо 1а выполнена в Московском Государственном техническом университете им. Н. Э. Баумари.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Енин В. Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Кузовкин В.А.

кандидат технических наук Иванов Е.С

Ведущая организация - ФГУП «НИИ ПМ им академика В И. Кузнецова

Защита состоится « 15 » марта 2005г в_часов на заседании

диссертационного совета в Московском Государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу.

107005, Москва, 2-я Бауманская ул. 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенном печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного технического университета им Н Э Баумана

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Иванов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К современным ароматизированным приводам прецизионных систем управления технологическими установками, приборам для научных исследований, устройствам робототехники и ряду других предъявляются жесткие требования по качеству управления механическим движением исполнительного звена Многообразие современных технических задач, решаемых с помощью электропривода, предъявляет существенно отличающиеся требования к рабочим характеристикам электродвигателей Поэтому, несмотря на значительное количество существующих типов двигателей, зачастую не удается непосредственно подобрать двигатель, обеспечивающий требуемые режимы работы автоматического устройства . На практике приходится либо существенно усложнять электропривод, вводя в него дополнительные датчики (угла, скорости, момента) и цепи внешней обратной связи, либо усложнять конструкцию двигателя, например, введением в него дополнительных рабочих обмоток и схем их переключения. В конечном счете, оба подхода приводят к существенному усложнению электропривода, повышению его стоимости Из существующих типов двигателей, используемых в системах автоматизированного привода, по совокупности рабочих и эксплуатационных характеристик при выполнении ряда этих задач наиболее перспективными являются бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ). Использование привода с БДПТ позволяет приблизить точностные и динамические показатели систем автоматического регулирования к предельно достижимым.

К числу наиболее часто встречающихся функциональных требований, предъявляемых к электроприводу, относятся-

1 Обеспечение режима стабилизации средней за оборот скорости вращения двигателя, или одновременной стабилизации как средней за оборот, так и мгновенной скорости вращения двигателя при изменении натрузочного момента

2, Обеспечение режима стабилизации электромагнитного момента в рабочем диапазоне изменения скорости вращения исполнительного двигателя

3 Обеспечение постоянства потребляемой электроприводом мощности в заданном диапазоне изменения рабочих скоростей.

Эти требования наиболее часю предъявляется к исполнительным звеньям устройств робототехники и автоматики Так в исполнительных устройствах робототехнических систем необходимым требованием является обеспечение непрерывного управления электромагнитным моментом. В автономных робототехнических транспортных системах очень важным является вопрос экономного использования энергии источника питания. Такой режим можно реализовать при условии обеспечения постоянства мощности, потребляемой двигателем в режиме изменяющихся скоростей. К электроприводу, используемому в прецизионной элек-[ромеханике, а также в периферийных устройствах вычислительной техники, предъявляются жесткие требования по обеспечению одновременной стабилизации как средней за оборот, так и мгновенной скорое [ и вращения ротора исполнительного двигателя.

Основными функциональными звёньями любого электропривода с БДПТ являются исполнительный орган (синхронная машина) и устройство управления режимами коммутации, включающе а (ДПР) и преобра-

зовагель частоты с вентильным коммутатором якорных обмоток Схемная особенность БДПТ, как обязательное наличие цепи - "датчик положения - коммутаюр рабочих обмокж", позволяет вмешаться в управление электромагнитными процессами в двигателе с целью управления типом и параметрами его характеристик, те управлять рабочими характеристиками двигателя "электронным" способом без конструктивно-технологического его усложнения.

Анализ показывает, что большинство рассмотренных задач можно решать за счеч формирования требуемых закономерностей питающих якорные обмотки БДПТ юковых импульсов, с помощью управляемых обратных связей. Хотя в настоящее время использование управляемых БДПТ считается одним из перспективных направлений разработки устройся автоматики, Г1 научно-'рхпмч/ч ит>й гштепя-туре ряд вопросов, связанных с разработкой электронных схем управления, освещены в недостаточной степени. К ним относятся, в первую очередь, вопросы непрерывного корректирования рабочих характеристик привода. Эти вопросы не исследованы обстоятельно, ни теоретически, ни экспериментально, хотя даже час-шчное расширение функциональных возможностей автоматизированною привода при использовании в схемах управления бесконтактных электродвигателях вну! реиних обрашых связей обещает получение существенного эффекта Такой подход одновременно позволит существенно упростить конструктипное исполнение силового блока

В исполнительных устройствах на основе БДПТ для обеспечения равномерности вращаютцет о момента в пределах оборота используются схемы управления с позиционной модуляцией фазных напряжений двигателя, при этом п качестве датчика угла, как правило, использую 1ся вращающиеся трансформаторы (ВТ), существенно усложняющие электромашинную часть привода, повышающие его стоимость и ухудшающие его массогабаритные характеристики Однако в научно-технической литературе эшм вопросам уделяется недостаточно внимания и, п первую очередь, новым схемам построения аналоговых датчиков углового положения с широким диапазоном измерения и выходными характеристиками аналот ичными, например, характеристикам ВТ, но отличающимися от последних существенной коне I рук гивной простотой, 1ехнологичносгью и лучшими массо1абаршными по казателями Требуют дополнительного внимания и исследование особенностей электрома: нитных процессов в исполнительных бесконтактных двигателях, построенных по торцевой схеме исполнения Двигатели такого исполнения отличаются конструктивной простотой и в большей с1епени приспособлены к современным технологиям массового производства.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке устройств управления исполнительными органами электропривода на основе БДПТ, а также новых типов параметрических датчиков угла с диапазоном измерения 0 - 2л рад

Цель и основные задачи работы. Целью работы является разработка способов и средств формирования рабочих характеристик автоматизированного привода на базе БДПТ, обеспечивающих заданные режимы работы его работы

Конкретными задачами являются' 1 Разработка способов и схем электронного формирования рабочих характеристик БДПТ, обеспечивающих реализацию режимов стабилизации средней за оборот и мгнове11по4^у{з(^т§^р^ще"ния двитагеля, режима стабилизации элек-

тромагнитного момента и режима стабилизации мощности в заданном диапазоне рабочих скоростей, при использовании в схемах управления двигателей внутренних регулируемых обратных связей

2 Анализ закономерностей распределения магнитного поля в рабочем зазоре бесконтактного двигателя торцевого исполнения. Исследование зависимости временных параметров ЭДС вращения от конструктивного исполнения ротора и статора. Анализ способов формирования токовых импульсов в якорных обмотках двигателя с целью обеспечения заданных режимов работы привода

3 Исследование путей построения малогабаритных датчиков углово1 о положе-

1ПК1 ЛЛТЛП1 ГТЛЛТ^ЛОГТТТТ IV ТТО 11ГТТПП/"ГИП11ЛИ Г» ОХ«1ГЛЛТТ1Л»1 ПЛТШТШПА ЛЛлоилпоима »* Ш1/1 V/ к сл^ ич/Ъг' им <111^ и^оиииш х» ъ'шлъч/ъ' 1 и»-»ш и^тщиик! ч/ииинииинпу п

разработка функциональных, конструктивных и принципиальных схем построения простых и технологичных в изготовлении датчиков угла указанного типа с диапазоном измерения угла О + 2к рад.

4 Проектирование, изготовление и экспериментальные исследования рабочих макет ных образцов БД111 торцевого исполнения с управляемыми рабочими характеристиками. Проектирование, изготовление и экспериментальное исследование индуктивного и емкостного датчика угла в составе электромеханического модуля

Методы исследований. Методы теории поля при исследовании электро-ма! нитных полей в рабочих зазорах силового блока двигателя и элементах датчиков углового положения, методы теории электрических цепей и электрических машин при исследовании и проектировании двигателя, прямой физический эксперимент при исследовании электромагнитных процессов и рабочих характеристик двигателя

Научная новизна работы.

1. Обоснована возможность управления рабочими характеристиками электрического привода на основе БДПТ с использования информации о средней за оборот скорости вращения двигателя и текущего взаимного углового положении е/ о ротора и статора.

2 Предложены, теоретически и экспериментально обоснованы способы и устройства электронного формирования рабочих характеристик БДПТ, основанные на управлении коммутацией якорных обмоток двигателя с использованием сигналов внутренних обратных связей по средней за оборот скорости вращения и по мгновенному пространственному положению ротора двигателя, обеспечивающие реализацию режимов стабилизации скорости, электромагнитного момента и мощности

3 Установлена возможность существенного снижения неравномерности вращения БДПТ торцевого исполнения в пределах оборота за счет взаимной компенсации изменений ЭДС вращения и якорных токов на интервале коммутации обмоток.

4 Предложены, теоретически и экспериментально обоснованы способ и схема построения датчика угла параметрического типа с широким диапазоном измерения, основанные на использовании эффектов изменения индуктивности плоской неподвижной катушки при ее взаимодействии с системой подвижных чередующихся индукторов, выполненных из различных по магнитным свойствам материалов -ферромагнетика и диамагнетика.

Практическая значимость работы.

1 Разработаны и обоснованы функциональные и принципиальные схемы управления рабочими характеристиками БДПТ, не гребующие конструктивного усложнения двигателя и основанные на использовании сигналов внутренней обратной связи.

2. Предложены и обоснованы функциональная, принципиальная и конструктивная схемы построения малогабаритных технологичных датчиков угла индуктивного и емкостного типов, предназначенные как для использования в качестве датчика положения ротора БДПТ, так и для измерения углового рассо! ласования элементов системы ялтоматичипопанчто привода

3. Спроектированы, из1 словлены и экспериментально исследованы рабочие макетные образцы конструктивно простого и технологичного в изготовлении БДПТ торцевого типа с управляемыми рабочими характеристиками, электромеханического модуля на базе бесконтактного моментного двигателя ДБМ-40 и емкостного датчика угла

Достоверное 1ь ре?ультатов исследований подтверждена практической реализацией и данными экспериментальных исследований спроектированного электропривода на базе БДПТ торцевого исполнения с индуктивным датчиком углового положения ротора, практической реализацией и данными экспериментальных исследований спроектированного электромеханического модуля на основе серийного БДПТ типа ДБМ-40 и емкостного датчика угла.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Элементы приборных устройств» МГТУ им. Н Э. Баумана, внедрены в ГНИИЦ научного приборостроения в рамках НИР по разработке высокотехнологичных датчиков угла и бесконтактных двшагелей постоянного тока, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях' Международная научно-техническая конференция «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» Донецк, 2000. Международная конференция «Электротехника, электромеханика и электротехнология». Клязьма, Россия, 2000. Международная научно-техническая конференция «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века». Донецк, 2001. Международная конференция «Машиностроение и техносфера XXI века» Донецк, 2002. V Международная конференция «Электромеханика, электротехнология и элсктроматериало-ведецие». Украина, Севастополь, 2003 Международная конференция «Машиностроение и техносфера XXI века». Украина, Севастополь, 2003

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть рабог [1-6] и получено два патента на изобретение [7^8].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Общий объем работы составляет 180 страниц, в том числе - 148 страниц основного текста, иллюстрированного - 68 рисунками и списка литературы из 98 наименований.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1 Использование информации о средней угловой скорости и текущем угловом положении ротора при управлении коммутацией якорных обмоток БДПТ позволяет осуществить формирование рабочих характеристик двигателя электронным

способом для реализации режимов стабилизации скорости, электромагнитного момента и мощности.

2 Для бесконтактных двухфазных двигателей постоянного тока оптимальные условия стабилизации мшовенных значений электромагнитного момента обеспечиваются при скорости вращения равной 0,512 от скорости вращения холосюю хода При зтом, наибольший эффект достигается при питании якорных обмоюк токовыми импульсами длительностью равной четверти периода изменения ЭДС вращения Переключение обмоюк при этом должно осуществляться через половину периода изменения ОДС, а момент коммутации должен быть смещен относительно

гтг1 .... i /9

f 1 J VH_1 1 V.| 1 xtn 1 I yjjl Л|Л 1V74. 1 П lili 1/U

Ч Режим одновременной стбилизации, как средней за оборот, так и мгновенной скорости вращения двигателя, может быть осуществлен при широтной моду ляции тактовых импульсов, питающих якорные обмотки Закономерности модуляции определяются информацией о текущем yi ловом положении ротора, величинах средней за оборот и установочной скорости вращения двигателя

4 При реализации режима оабилизации электромагнитной мощности БД111 в заданном диапазоне скоростей сигнал обратной связи должен бьпь сформирован по параболическому закону в функции текущего среднею значения скорости вращения двшателя, а при реализации режима стабилизации электромагнитно! о момента БДПТ в заданном диапазоне скоростей сигнал обратной связи по скоросж должен быть сформирован по закону степенною полинома в функции текущего значения скорости вращения

5 Конструктивно простая схема построения аналогового датчика положения ротора с широким диапазоном измерения может быть реализована путем использования зффектов взаимодействия плоской неподвижной катушки индуктивности с системой подвижных индукторов, выполненных из различных по магнитным свойствам материалов - ферромагнетика и диамагпетика с высокой электропроводностью

Содержание работы

Во введении обосновывае1Ся актуальность темы, формируется основная це и, и задачи исследований, отмечается научная новизна и прак1ическая значимость результатов

В первой главе содержшся обзор предшествующих теоретических и экспериментальных исследований, посвященных проблеме создания устройств автоматизированного привода на базе бесконтактных двигателей постоянного тока с корректируемыми рабочими харак1ерис тиками.

Установлено, что к основным типам желаемых рабочих характеристик привода в первую очередь относятся характеристики, обеспечивающие стабилизацию номинальной и мгновенной скорости вращения двигателя, стабилизацию мощное i и и электрома1 нигного момента Недостатком известных решений является то, что формирование рабочих характеристик исполни i ельного устройс1ва осущсс i вляс! ся за счет конструктивного переоформления силового блока, введения дополнительных обмоток, или их секций, включаемых по командам используемых для этих целей дополнительных датчиков. Задачи непрерывного управления токовыми режимами в якорных обмотках в литературе практически не освещены, известны только частные решения этих вопросов

Принципы управления мгновенными значениями выходных параметров двш ателя (скорости, мощности, электромагнитного момента) в литературе практически не рассматриваются. Хотя в технической литературе и имеются сведения, связанные с особенностями требований, предъявляемых к рабочим и механическим характеристикам исполнительных двигателей в зависимости от области их применения, обобщенный анализ эгою вопроса отсутствует.

В заключение, в первой главе на основе проведенного анализа обосновываются цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена вопросам формирования рабочих характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока с помощью введенной в схему управления временными зависимостями тиковых импульсов в якорных обмотках двигателя внутренней регулируемой обратной связи по скорости Предложен способ и устройство формирования механической характеристики БДПТ, обеспечивающие стабилизацию средней за оборот скорости вращения двигателя в заданном диапазоне изменения момента нагрузки Показано, как с помощью использования импульсной модуляции якорных токов реализуются требуемые закономерности формирования механических характеристик При применении задержанной обратной связи, включаемой по достижении двигателем установочной скорости, обеспечивается устойчивая работа двигателя Сигнал обратной связи по скорости формируется на основе обработки информации о частоте импульсных сигналов, нишющих якорные обмотки. При неизменном значении коэффициента обратной связи в интервале регулирования обеспечивается стабилизация средней за оборот скорости вращения двигателя.

Рассмотрены вопросы схемной реализации блока управления, обеспечивающего заданные режимы корректирования рабочих характеристик БДПТ. В схемах управления, с помощью которых устанавливаются средние за оборот рабочие характеристики двигателя, корректировка осуществляется за счет изменения длительности токового импульса, подаваемого в якорные обмотки На рис. 1 представлена схема управления двухфазного БДПТ с импульсной обработкой сш налов обратной связи. В этом исполнения БДПТ используются две якорные обмотки Ь,л, смещенные по образующей статора на 90°. Обмотки подключаются к источнику поочередно через четверть периода, что исключает появление в них сквозных токов

7 6

регулятор глу бгок

бин» обратной ""Г"

Рис 1 Блок-схема управления БДПТ

Рис. 2 Распределение магнитнои индукции под полюсами ротора.

Для двигателя торцевого исполнения рис 12, 13 плоские цилиндрические полюса ротора разной полярности чередуются и равномерно распределены на плоскости с центрами по окружности. Секции якорных обмоток выполнены в виде плоских катушек, намотанных по архимедовой спирали. Они закрепляются на установленном в корпусе двигателя немагнитном носителе

Проведен теоретический анализ характеристик распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между элементами статора и ротора при торцевом его исполнении. Установлено, что магнитное поле, создаваемое полюсом распределяется по колоколсобразному закону с ¿ершкнии, совпадающей с центром магнита. Распределение магнитною поля вдоль образующей чередующихся магнитов разной полярности близко к косинусоидальному Проведенный анализ распределения магнитного поля позволил рассчитать закономерности изменения потокосцеп-пения у/ катушек (с шагом полувигка А = (Яг -/?,)/«) при их угловом смещении относительно полюсов. При смещении центров полюсов на половину полюсною деления г л а зависимость приобретает вид, близкой к синусоидальной, поэтому синусоидальный характер имеет и ЭДС вращения

In " 1

Vi =Вдтк{—)£((Л0 + Ai)ún{m{Rü + Ai))-(—)(1 -cos(m(R0 + Ai)) (1) m 77 m

ЭДС Em якорной катушки в зависимости от размеров катушек R0, Я2 числа слоев к и количества витков п в одном слое определяется закономерностью

Екя =2ргсотгЩ, 182 + 0, 75/я + 0,174й)Я„, (2)

Показано, что наименьшую пульсацию электромагнитнот о момента можно обеспечить при фазовом смещении момента подключения якорных обмоток относительно нулевого значения ЭДС на угол равный ТС 14 и при длительности импульса равного четверти периода изменения ЭДС В этом случае мгновенные М и средние А/ср значения электромагнитного момента описываются уравнениями (А3 =

EJ<JÚ

М = -^-^-sin{cot + —) - sin (cot + —) Гу 4 ry 4

(3)

= — ifUm sin(<y/ 4 — )-kiasm1(cot + — ))dcot r * 4 4

' у о ^

тде Um - величина напряжения источника питания.

Установлено, что при скорости равной 0.512 щ неравномерность электро-матитного момента достигает минимума и не превышает 2 %. Эту скорость следует считать оптимальной для систем, с повышенными требованиями по допустимой неравномерности мгновенной скорости. Для двигателей, работающих в широком диапазоне скоростей, и к которым предъявляются очень высокие требования по стабилизации, как средней за оборот, так и мгновенной скорое i и, предложены способ и схема рис. 3, обеспечивающие реализацию этих режимов Способ предусматривает корректировку мгновенных значений токов в якорных обмотках таким образом, чтобы в любой момент времени обеспечить постоянство суммы произведе-

ний Для обеспечения такого режима осуществляется заполнение рабочих

интервалов подключения якорных обмоток пачками тактовых импульсов с час хотой следования на порядок превышающей частоту коммугации якорных обмоток В пределах каждой пачки осущесIвляется широтная модуляция импульсов по закону (4), определяемому совместной обработкой в арифметическом устройстве микропроцессора сигналов обратной связи, посыпающих с аналогового датчика угловою положения ротора, и устройств формирования информации о текущем значении скорости

Я-/2

21/„, [ ({/,„ ят(й>г + х/4)-й)кл $\пг(М + л1<\)\1соГ

и -ЫЙ>-д>) +--9--т-, (4)

я (£/,„ э¡п(с»/ + л- / 4) + юкъ эт(©г + п / 4))

|дс а) текущее значение круювой частош ЭДС вращения, о)0 - установочное значение круговой частопл, к1 - ко)ффициент обратной связи.

Рис 3 Блок схема БДПТ

Микропроцессор схемы управления (рис 3) управляется по трем входам по первому входу поступают сигналы с аналоговою датчика уьчового положения ротора, по второму информация о текущем значении скороеIи вращения двим-гетя, потроьему - информация об установочном значении номинальной скороии

Рассмотрены способы стабилизации осредиенных за оборо! жачений электромагнитного момента и мощности, развиваемом двигателем в заданном диапазоне (и| т) изменения скорости вращения двигателя Показано, чю режим С1аби-лизации МОЩНОС1И можно обеспечип,, если коэффициент обрашой связи изменяв в зависимости от скорости по закону

Кос = К,

{и-т-о-Р) т-р) '

(5)

где ¡} - — , и = —, Кт - постоянный коэффициент "и "о

В этом случае мощность двигателя Р определяется выражением

Р=™ м=± Млио ~ и)ц - кт (6)

30 30 А м /3(\-/3)

в диапазоне скпр™ гей П,25"ц __ «0 „ 0,75;1и расчетная нестабильное и мекфомаг-нитной мощности не превышает 1 % (рис.4)

Режим стабилизации момеша можно обеспечить, если и ¡менять коэффициент обратной связи ^Оспо закону Кж =(я2 ~пУ о В лом случае механическая характеристика двигателя приобретает вид (рис. 5)

к,

а{п2 -п)Р (и-я,)

(7)

где акр- параметры обратной связи; пх - число оборотов, при ко юром происходит включение обрашой связи; п2 - скорость вращения двигателя, при которой реализуется стабилизация момента.

При р = 1 и а-р!пгй, п интервале скоростей (0.5 -г 0 75) пц обеспечивается ешбилизация электрома! нигного момента в пределах 4 %

Рис 4 Расчетные рабочие характеристики управляемого двигателя_

Рис 5 Механическая характеристика двигателя со с 1 абилизацией момента

В третьей главе представлены результат исследований и методика проецирования датчиков угла аналогового типа, построенных на индуктивном и емкостном принципах Датчики предназначены для измерения углового рассопасо-вания взаимного положения ротора и статора Они измеряют у1ловое рассопасо-

вание в диапазоне углов 0 2я и отличаются от известных решений принципом формирования информации, простотой и технологичностью исполнения.

Исследован принцип посгроения датчика у!ла параметрическою типа, основанный на измерении величины индуктивности неподвижной плоской катушки, питаемой от источника синусоидального напряжения при ее взаимодействии с подвижным индуктором, выполненным в виде чередующихся пластин из разнородных материалов ферромагнетика и диамагнетика с высокой электропроводное гью При изменении площади перекрытия индуктора и катушки ЧЭ происходит изменение индуктивности. Проанализировано плоскопараллелыюе электромагнитное поле в воздушном зазоре между взаимодействующими сигнальным и чувствительным элементами и получены аналитические зависимости, определяющие форму и взаимное положение электродов для обеспечения требуемых закономерностей информационного сшнала. Анализ проведен путем расчета векторного ма1нитного потенциала А в рабочем зазоре между чувствительным и сигнальным элементами

На основании соотношения roí А = В и определения индуктивности через машитный поток L = Фи/г, пронизывающий катушку, получено соотношение, определяющее изменение индуктивности при взаимодействии катушки с ферромагнетиком.

а оо

J \кр.1() (кр) ■./, (ка) ■ e'2kbd pdk

^kpJй (кр) ■./, (ка) ■ с/ рйк

о о

Установлено, чго при увеличении зазора изменение индуктивность катушки уменьшается по экспоненциальному закону, а при взаимном угловом смещении центров катушки и полюса СЭ изменение индуктивности имеет колоколообразный характер

В частности показано, что при зазоре 0.2 мм и диаметрах катушки и полюса СЭ, равном 8 мм, максимальное приращение индуктивности составляет 10 %.

% Ув 3% П Г

Рис 6 Изменение индуктивности катушки ЧЭ в зависимости ог ее углового смещения относительно центра магнитного полюса.

Изучено взаимодействие катушки ЧЭ с проводящим полюсом индуктора. При взаимодействии катушки ЧЭ с проводящим диамагне-тиком происходит ее уменьшение вследствие размагничивающего воздействия вихревых токов. Установлено, что величина изменения индуктивности при неизменном пространственном взаимном положении катушки и индуктора определяется плотностью вихревых токов и может быть представлена в виде

' К ~AL

т о

, где Lmo величина ин-

дуктивности при отсутствии взаимодействия с индуктором, (У - проводимость материала индуктора, (О - круговая частота источника на-

пряжения, питающе1 о катушку.

Таким образом,, изменение индуктивности зависит от проводимости материала индуктора и частоты питающего напряжения Показано, что вихревое поле на частотах 150 - 250 кГц вызывает в материале диэлектрика изменение индуктивности катушки ЧЭ близкое по величине и характеру распределения, полученному для случая взаимодействия катушки с полюсом из феррита (JJ. = 1000) Этот вывод позволил сделать заключение о том, что подбором рабочей частоты напряжения генератора, питающего катушки ЧЭ, можно обеспечить равенство амплитуд величины изменения индуктивности, как при взаимодействии с ферромагнитным, так и диамагнитным индуктором

Описываются предложенные конструктивная и функциональная схемы построения индуктивного датчика угла Конструктивная сема предусматривает установку двух пар плоских катушек индуктивности 4, 5 на немагнитном носителе В, при этом центры каждой пары располагаются диаметрально противоположно Индуктор выполнен в виде шести чередующихся (ферриговых 1 и медных 2) плоских дисков, размешенных на плоском мало проводящем носителе 3 равномерно по окружности (рис. 7).

Рис.7 Конструктивная схема индуктивного датчика

Рис 8. Функциональная схема индуктивного датчика

Каждый чувствительных элементов 2 и 3 (рис. 8) содержит по два параллельных резонансных контура, образованных диаметрально противоположно размещенными катушками индуктивности и конденсаторами Резонансные кошуры, подключенные через резисторы к генератору синусоидальных колебаний 1, образуют мост переменного тока, средние точки которого подключены к блоку обработки сигналов по дифференциальной схеме 4. Указанное размещение полюсов индуктора обеспечивает режим, при котором увеличение сигнала в одном плече моста сопровождается уменьшением сигнала в другом Настройка генератора па частоту, соответствующую величине обобщенной расстройте резонансного контура равной 0 707 при его добротности близкой к 10, обеспечивает линейность пре-

образования ЛЬ в Дм при но1решнос1и не превышающей 3 % Па выходах датчика формируется сигналы, пропорциональные соответственно синусу и косинусу угла поворота

Исследована возможность создания и характеристики параметрическою датчика угловою положения, построенного на емкостном принципе. Для этого был спроектирован и изюговлен электромеханический модуль (рис 9) на основе серийного ЬД111 типа ДБМ-40

Рис 9 Электромеханический модуль с емкостным датчиком положения ротора

ЧЭ емкостною датчика выполнен в виде группы электродов 1, разметцен-ных на внутренней поверхности трех диэлектрических колец Электроды каждого кольца 1 соединены через один в две группы Подвижный заземленный электрод 5 размещен на роторе и представляет вилку с пазами. Как следует из эксперимента, закон изменения емкости практически линеен за исключением краевых участков Проверена рабоюспособность электромеханического модуля с емкостным датчиком в режиме ДПР, использующим одноканальную схему обработки выходной информации.

Быта предложена схема построения трехфазною емкостного аналогового t

датчика с диапазоном измерения угла 0 — 2п и погрешнос1ью измерения « 3 угло-ных минут В схеме датчика используется ЧЭ, электроды каждой фазы которого смещены относительно друг друга на 30 геометрических градусов (120 электрических фадусов) Подключение фаз ЧЭ к входам блока обработки сигналов осущест- * влястся по сигналам ттуль индикаторов, когда сигнал управляющей фазы проходит через нуль Сишалы, формируемые системой фаз этого датчика в пределах одного периода, проходят через ноль при 0° и 180° для фазы А , 120° и 300" для фазы В. 240° и 60° для фазы С Таким образом, при использовании нуль индикатора и cooi-ветсгвующем подключении сигналов А - В - С на выходе датчика формируется пилообразный сигнал с линейно нарастающим передним фронтом в пределах 0 - 60 )лектрически\ градусов Эю исключает интервалы нелинейности характеристики преобразования.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований опытного макета БДПТ, разработанного и изготовленного в процессе выполнения данной работы На рис 10 приведен чертеж этого макета, а на рис 11 представлены фотографии двшатсля и основных его элементов

Рис 11. Силовые элементы двигателя.

1 - ротор в разобранном виде,

2 - постоянные м;п ниты,

3 - якорь с рабочими обмотками

4 - внешний вид двигателя.

Рис. 10 Бесконтактный двигатель постоянного тока с индуктивным датчиком у1ло-в01 о положения рогора. 1 - якорные обмотки, 2 - катушки ЧЭ индуктивного дагчика у!ла, 3, 4 - несущие втулки ротора, 5, 6 корпуса двигателя, 9 -постоянные магниты рошра, 10 - полюса индуктора СО датчика угла, 11 - втулка катушки 40 датчика угла.

Экспериментально исследовано распределение потока магнитной индукции в рабочем зазоре двигателя: распределение индукции в рабочем зазоре практически не отличается от синусоидальной зависимости (рис. 12)

300/ 360 \ /л/180 \ / рад.

Рис 12 Распределение величины индукции, как функции угловой координаты

3?) Гл| 0,4

0,3

0,2

0,1

4—

Я

5 7 9 11 13 15мм

Рис 13. Распределение машишой индукции в зазоре как функции расстояния до оси роюра двигателя.

Величина разброса амплитудных значений индукции, связанный с неодинаковостью параметров отдельных полюсов, не превышает 20 %. Коэффициент высших гармоник в функциональной зависимости В - Д а) не превышает 3 % Подтвержден вывод теоретического анализа о колоколообразном распределении индукции относительно центра магнитною полюса (рис 13). Эксперимент, связанный с исследованием ЭДС самоиндукции, подтвердил ее синусоидальный характер (рис. 14) Исследование временных зависимостей токовых импульсов в якорных обмошах подтвердили выводы теоретического анализа, как о влиянии на эти зависимости текущей скорости вращения двигателя, так и о влиянии фазового сдвига

мОмсНТа ПОДКЛЮчснил.

Величина пульсации мгновенных значений токов в якорных обмотках зависит от длительности интервала коммутации и моментов подключения и отключения обмоток Подтверждено, что наиболее оптимальным является режим, при котором длительность интервала коммутации выбирается равным четверти периода и сдви1 момента коммутации относительно момента изменения знака ЭДС вращения смещен на 1/8 периода. В этом случае обеспечивается симметрирование токовых импульсов относительно их середины и существенно уменьшается пульсация электромагнитного момента (рис. 14) При скорости равной 0 512я0эта пульсация минимальна Подтверждено, чю механические и рабочие характеристик опытного образца при отключенной обратной связи в цепи управления идентичны с характеристиками коллекторного двигателя

Эксперименты, связанные с исследованием возможггости корректирования механических характеристик с помощью использования в блоке управления отрицательной обратной связи по скорости, проводились на образце, в котором токовые импульсы в икорных обмотках регулировались с помощью микропроцессора. Управляющие сигналы по скорости подавались на один из его входов. Целью регулирование являлась стабилизация скорости вращения двигателя при изменении нагрузочного момента.

-лх

йшз

л

N

;—V

и

Ш

П1

Л

й

£1

Як

-- и"

Рис 14 Временные диаграммы напряжений и токов в якорных обмотках двигателя при п = 4700 об /мин

Рис 15 Механическая характеристика бесконтактного двигателя с управляемой обратной связью.

На рис 15 представлены характеристики 2, 3, 4, полученные для значений коэффициента Ку ~ 0.25, 0.5, 1 при установочном значении числа оборотов двигателя равном 4000 об./мин Характеристика 1 получена для установочного числа оборотов равно! о 4500 об./мин, при Ку = 0.25. В диапазоне регулирования обеспечивается пятикратное повышение жесткости механической характеристики по сравнению с естественной характеристикой.

В приложениях приводится методика расчета силовых элементов макета двигателя, описание работы принципиальной схемы управления а также экспериментальные данные, полученные при проведении исследований

• Заключение.

1 Разработаны и обоснованы способы и схемы управления рабочими характеристиками систем автоматизированного привода с использованием БДГП. основанные на формировании (при управлении коммутаций якорных обмоток двигателя) сигналов внутренней обратной связи по средней за оборот скорости вращения двигателя, а при управлении мгновенными значениями параметров (момента, скорости, электромагнитной мощности) - на использовании дополнительной информации о текущем угловом взаимном положении ротора и статора

2 Разработаны и обоснованы технические предложения, обеспечивающие стабилизацию средних значений угловой скорости двигателя при изменении момента нагрузки, стабилизацию средних значений электромагнитной мощности, или электромагнит ною момента в заданном диапазоне изменения рабочих скоростей с помощью сформированных по предложенным закономерностям сигналов внутренней обратной связи по скорости.

3. Исследованы зависимости мгновенных значений якорных токов и электромагнитного момента для ряда номинальных скоростей вращения ротора при вариации интервалов и момента подключения якорных катушек к источнику питания, Установлены возможности уменьшения нестабильности мгновенныр^начений ! электромагнитного момента, развиваемого электроприводом, выбором ишерва-

лов коммутации якорных обмоток БДП1.

4 Разработаны конструктивно просше и технологичные в изготовлении схемы построения индуктивно! о и емкостного датчиков угла с диапазоном измерения в пределах полного оборота.

5. Спроектированы электромеханические модули привода с использованием БДИТ торцевого исполнения, индуктивного и емкостною датчиков. Экспериментально исследованы работоспособность и рабочие характеристики модулей Экспериментально исследован макетный образец привода с управляемыми рабочими характеристиками.

Публикации по теме диссертации.

1. Енин В.Н., Кукушкин Ю.Т., Николаев С.С. Емкостной функциональный преобразователь угла // Электротехника, электромеханика и электро1ехнология 1 руды международной конференции - Клязьма (Россия), 2000. - С И4-138

2 Енин В.H, Кукушкин Ю.Т, Николаев С.С. Индуктивный датчик положения бесколекторного двигателя постоянного тока // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века Труды VII Международной научно-технической конференции. -Донецк (Украина), 2000.-С. 150-155.

3 Болотнов СЛ., Енин В H , Кукушкин Ю Т. Стабилизация мгновенной скорости бесколлекторных двигателей постоянного тока. // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века Труды VIII международной научно-технической конференции.-Донецк (Украина), 2001. - С. 53-56.

4 Енин В H, Кукушкин Ю Т, Николаев С. С. Формирование механической хапактспис! ики постоянной мощности уппяиттяемыу бес1ГПллеторных двигателей // Машиностроение и техносфера XXI века Труды IX Международной научно- технической конференции-Донецк (Украина), 2002. - С 140-144

5 Енин В H , Кукушкин Ю 'Г , Николаев С С. Управление -электромагнитным моментом в бесконтактных двигателях постоянного тока // Машиностроение и техносфера XXI века Труды X Международной научно-технической конференции - Донецк (Украина), 2003, Ч 1 -С 582-586

6 Енин В H , Кукушкин ЮТ, Николаев С С Формирование характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока с использованием цифровой обработки сигналов обратной связи // Электромеханика, электроматериалы и электротехнолот ия Труды V международной конференции. - Севастополь (Украина), 2003, I" 1 - С. 253-256

7 Пат 2176846 РФ, МПК 7 Н02К 29/06 Индуктивный датчик положения ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока / ЮТ. Кукушкин, С С Николаев, Ю Г. Шерстняков - 2001, № 34

8 Пат 2173931 РФ, МПК 7 Н02Р 6/06. Устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянною тока / Ю.Т Кукушкин, С.С Николаев, Ю Г Шерстняков. - 2001, №,26

»

Подписано к печати SOI. Of г. Зак.,20 Объем 1 0 п.л. Тир 100 Типография МГТУ им. H Э Баумана

РНБ Русский фонд

2006-4 11838

Введение.

Глава 1. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Тенденции их совершенствования.

1.1 Бесконтактные двигатели устройств автоматизированного привода. Области применения и особенности требований, предъявляемых к двигателям.

1.2 Основные направления совершенствования характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока. Методы реализации перспективных направлений.,

1.3 Обратная связь в системе управления бесконтактным двигателем. Датчики обратной связи.

1.4 Желаемые идеализированные механические характеристики БДГТГ устройств автоматизированного привода.

1.5 Бесконтактные двигатели торцевого исполнения. 27 Выводы.

Глава 2. Способы и схемы формирования рабочих характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока.

2.1 Формирование механической характеристики двигателя для режима стабилизации средней за оборот скорости вращения.

2.1.1 Принцип формирования механической характеристики.

2.1.2 Схема формирования сигнала обратной связи по скорости.

2.1.3 Устройство формирования токовых импульсов в якорных обмотках с использованием сигналов обратной связи.

2.1.4 Формирование механической характеристики бесконтактного двигателя с помощью обработки импульсных сигналов управления.

2.2 Блок управления БДПТ с одновременной стабилизацией мгновенной и средней за оборот скоростей вращения двигателя.

2.2.1 Анализ закономерностей формирования ЭДС вращения и электромагнитного момента бесконтактного двигателя при торцевом исполнении его силового блока

2.2.2 Бесконтактный двигатель с тактовой стабилизацией мгновенной скорости.

2.3 Формирование рабочих характеристик БДПТ для режимов стабилизации электромагнитной мощности и момента.

Выводы.

Глава 3. Датчики углового положения ротора.

3.1 Анализ требований, предъявляемых к датчикам положения ротора.

3.2 Принцип построения индуктивного датчика положения ротора.

3.3 Взаимодействие ЧЭ индуктивного датчика с ферромагнитным индуктором.

3.4 Взаимодействие ЧЭ индуктивного датчика с немагнитным проводящим индуктором.

3.5 Индуктивный резонансный датчик положения ротора.

3.6 Емкостной датчик положения ротора.

3.6.1 Принцип построения емкостного датчика положения.

3.6.2 Конструкция и схема построения емкостных датчиков углового положения ротора.

3.6.3 Экспериментальные исследования емкостных датчиков. 106 Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования бесконтактного двигателя постоянного тока.

4.1 Разработка элементов конструкции и схемы управления бесконтактного двигателя постоянного тока.

4.2 Цели и задачи экспериментальных исследований.

4.3 Исследование пространственного распределения магнитной индукции в воздушном зазоре БДПТ.

4.4 Исследование ЭДС самоиндукции в якорных обмотках БДПТ.

4.5 Исследование стационарных рабочих характеристик опытного образца двигателя с отключенной обратной связью.

4.6 Исследование временных зависимостей изменения напряжений и токов в якорных обмотках двигателя.

4.7 Исследование механических характеристик управляемого бесконтактного двигателя.

4.7.1 Бесконтактный двигатель с использованием в цепи обратной связи микропроцессора.

4.7.2 Результаты экспериментальных исследований рабочих характеристик управляемого БДПТ. "

4.8 Исследование выходных характеристик индуктивного датчика углового положения ротора. 133 Выводы. 135 Заключение. 137 Список литературы. 140 Приложение 1. Проектирование рабочего образца бесконтактного двигателя. 149 Приложение 2. Система управления двигателем с использованием микропроцессора. 164 Приложение 3. Емкостной датчик углового положения ротора 170 Приложение 4. Распределение индукции в воздушном зазоре между полюсами ротора и якорными катушками. 175 Приложение 5. Временные зависимости токов и напряжений.

Развитие техники, в особенности в отраслях автоматизированного производства, робототехники и средств обработки и передачи информации существенно расширяет уровень требований, предъявляемых к исполнительным электромеханическим устройствам. В первую очередь это касается областей, связанных с производством роботов и манипуляторов.

К электромеханическому приводу предъявляется требование преобразовать командные сигналы в механическое перемещение, обеспечивая при этом устойчивую работу привода во всем рабочем диапазоне. В некоторых случаях закономерности преобразования командных сигналов в механическое перемещение настолько сложны, что невозможно их реализовать с помощью известных электромеханических устройств. В этом случае используются исполнительные устройства, управляемые с помощью микроконтроллера, или в более сложных случаях с использованием ЭВМ. Все эти задачи потребовали разработки электромеханических устройств, механические и регулировочные характеристики которых могут быть перестроены в процессе эксплуатации в соответствии с условиями, определяемыми законом управления.

Одним из наиболее перспективных устройств электропривода по совокупности технических и эксплуатационных характеристик являются бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ). Эти двигатели обеспечивают устойчивую работу привода в режимах с изменяющейся нагрузкой, имеют относительно высокий КПД и могут быть реализованы в малых габаритах, что особенно важно в космической технике, или при создании автономных роботов.

Отсутствие коллекторного узла, являющегося необходимым для обычных двигателей постоянного тока, обеспечивает надежную работу устройства в вакууме, взрывоопасных средах, или средах с повышенной запыленностью. Кроме того, бесконтактные двигатели обеспечивают относительно низкий уровень, создаваемый ими уровень радио и акустических помех. Все эти особенности бесконтактных двигателей определили интерес к этой области проектирования исполнительных устройств электропривода как у нас в стране, так и за границей.

В последнее время получены значительные результаты по снижению себестоимости БДПТ, что расширяет возможности использования подобных двигателей в изделиях массового применения: в автомобилестроении, бытовой технике и ряде других отраслей. Особой конструктивной простотой и технологичностью изготовления отличаются бесконтактные двигатели торцевого исполнения.

Электроприводы на базе бесконтактных двигателей постоянного тока обладают потенциальной возможностью формирования рабочих характеристик без изменения его конструкции. Требуемые характеристики могут формироваться в этом случае за счет использования в схеме управления электроприводом внутренних обратных связей и применением аналоговых датчиков углового положения ротора. Таких возможностей лишены наиболее распространенные в настоящее время асинхронные и коллекторные двигатели постоянного тока, в которых требуемые режимы обеспечиваются при существенном усложнении их конструкции и при использовании ряда дополнительных внешних датчиков.

Расширение сферы применения электроприводов с бесконтактными двигателями создает необходимость проведения дальнейших исследований по изучению особенностей их работы в ряде новых областей, а также совершенствования принципов построения устройств автоматизированного привода в тех областях, где они уже сейчас активно используются. Однако возможности БДПТ в настоящее время изучены недостаточно и практически не реализованы. Остаются открытыми вопросы формирования рабочих характеристик, в первую очередь характеристики, обеспечивающие высокую стабильность мгновенных значений электромагнитного момента. Мало изучены вопросы построения и разработки наиболее технологичного варианта БДПТ по торцевой схеме исполнения его элементов. Исследования, проведенные в диссертационной работе, направлены на решение этих вопросов. Это и определяет актуальность данной работы.

Целью работы является разработка способов и средств формирования рабочих характеристик автоматизированного электропривода на базе БДПТ, обеспечивающих заданные режимы его работы.

Конкретными задачами исследований являются:

1. Разработка способов и путей электронного формирования рабочих характеристик электропривода на базе БДПТ, с использованием в схеме его управления внутренних электронных обратных связей для реализации режимов: а) Режим стабилизация средней за оборот скорости вращения двигателя при возможности ее переустановки схемой электронного управления. б) Режим стабилизации мгновенной скорости. в) Режим стабилизации электромагнитного момента и мощности, развиваемой двигателем, в рабочем диапазоне.

2. Теоретический анализ электромагнитных полей в рабочем зазоре БДПТ торцевого исполнения с учетом обеспечения возможностей формирования закономерностей ЭДС вращения и токовых импульсов в якорных обмотках, обеспечивающих заданные режимы стабилизации.

3. Исследование и разработка схем электронного управления вышеперечисленными рабочими режимами работы электропривода, с целью формирования требуемых рабочих характеристик. Выработка рекомендаций по расчету и выполнению элементов конструкции силового блока электропривода, обеспечивающего при расчетных управляющих сигналах требуемые режимы его работы .

4. Исследование возможностей построения малогабаритных аналоговых датчиков положения ротора, построенных на индуктивном и емкостном принципах. Разработка методик расчета выходных параметров датчиков и их конструктивных элементов.

5. Разработка конструктивных схем построения индуктивных и емкостных датчиков, обеспечивающих измерение угла в диапазоне 0 + 2ж, предназначенных для использования их как в качестве ДПР двигателя, так и для измерения углового рассогласования элементов привода различного назначения в широком диапазоне измерений.

6. Проектирование, изготовление и экспериментальные исследования макетного образца электропривода с БДПТ торцевого исполнения, выполненного в соответствии с разработанными рекомендациями. Проверка достоверности выводов теоретического анализа.

Результаты решения поставленных задач изложены в 4х главах и приложениях настоящей работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проработанности вопросов, связанных с методиками проектирования и практической разработкой образцов электропривода на базе БДПТ. Рассмотрены используемые методы расчета параметров двигателей и способы формирования их рабочих характеристик. Выявлены недостаточно проработанные к настоящему времени направления проектирования бесконтактных двигателей постоянного тока, используемых в электроприводе. На основе этого анализа обоснованы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы формирования механических и рабочих характеристик БДПТ путем введения в схему управления регулируемой внутренней обратной связи по скорости. Проведен теоретический анализ магнитного поля в рабочем зазоре силового блока двигателя. Получены теоретические зависимости изменения во времени магнитной индукции в зазоре, ЭДС вращения и токов в якорных обмотках двигателей торцевого исполнения. Установлены закономерности подключения якорных обмоток к источнику питания, обеспечивающие минимальную пульсацию электромагнитного момента. Разработаны функциональные зависимости управляющих сигналов обратной связи, обеспечивающих формирование рабочих характеристик для ряда режимов, и предложены схемные решения по их реализации.

В третьей главе рассмотрены методы исследований и схемы построения датчиков положения ротора (ДПР) и обоснована необходимость для двигателей торцевого исполнения разработки углового датчика параметрического типа. Проанализированы электромагнитные поля в пространстве между индуктором и чувствительным элементом датчика торцевого исполнения и выработаны рекомендации по выбору их конструктивных размеров, обеспечивающих высокую чувствительность и линейность выходных характеристик. Рассмотрены закономерности формирования сигнала при взаимодействии плоской катушки индуктивности с ферромагнитным и диамагнитным проводящим индуктором. Предложена конструкция датчика и схема обработки первичного сигнала, обеспечивающая синусоидальную зависимость выходного сигнала в функции углового рассогласования между осями ротора и статора двигателя. Разработан макетный образца емкостного датчика и приведены результаты его испытаний.

В четвертой главе дано описание изготовленного макетного образца электропривода с индуктивным датчиком углового положения ротора. Приведены экспериментальные рабочие характеристики макетного образца. Представлены результаты экспериментальной проверки выводов и рекомендаций теоретических исследований. Приведены результаты исследований электропривода, в схему управления которого введена обратная связь по скорости. Исследованы режимы стабилизации средней за оборот скорости макетного образца.

В приложениях изложена методика схемного и конструктивного проектирования БДПТ торцевого исполнения, приведены расчеты параметров макетного образца двигателя. Приведен алгоритм работы микропроцессора, используемого в цепи обратной связи схемы управления электроприводом на базе макетного образца БДПТ. Приведены таблицы графики, построенные по экспериментальным данным.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснована возможность управления рабочими характеристиками электрического привода с БДПТ на основе использования информации о средней за оборот скорости вращения двигателя и текущего взаимного положения его ротора и статора.

2. Предложен способ и устройство формирования механической характеристики электропривода с БДПТ, основанные на использовании внутренней обратной связи и обеспечивающие стабилизацию средней за оборот скорости вращения двигателя, а также одновременную стабилизацию как средней за оборот, так и мгновенной скорости вращения двигателя. Разработана методика схемотехнического проектирования двигателя с управляемыми рабочими характеристиками .

3. Установлена возможность существенного уменьшения неравномерности электромагнитного момента, развиваемого двигателем электропривода при изменении углового положения ротора двигателя, за счет взаимной компенсации изменений ЭДС вращения и токов в якорных обмотках.

4. Установлена возможность стабилизации мощности и электромагнитного момента исполнительного устройства электропривода при изменении скорости вращения в заданном диапазоне. Стабилизация осуществляется с помощью регулируемых обратных связей, используемых в схеме управления электроприводом и изменяющихся по рассчитанным теоретически закономерностям в функции текущего значения скорости вращения двигателя.

5. Предложен способ и схема построения датчика угла параметрического типа с широким диапазоном измерения, основанных на использовании эффектов изменения индуктивности плоской неподвижной катушки при ее взаимодействии с системой подвижных индукторов, выполненных из различных по магнитным свойствам материалов (ферромагнетика и диамагнетика с высокой электропроводностью). Дано теоретическое обоснование электромагнитных процессов в датчике.

Достоверность результатов исследований подтверждена практической реализацией вариантов электропривода с БДПТ, датчиков положения и блоков автоматического управления электродвигателем, спроектированных в соответствии с выводами теоретических исследований. Результаты практической проверки подтвердили основные результаты теоретических исследований.

Практическая ценность работы заключается в разработке действующих образцов электропривода на базе бесконтактных двигателей постоянного тока торцевого исполнения с электронным формированием механических характеристик, в разработке действующих образцов технологичных в исполнении датчиков угла индуктивного и емкостного типа с широким диапазоном измерений.

Датчики угловых перемещений могут быть использованы не только в составе БДПТ, но и качестве первичных измерительных угловых преобразователей в системах широкого назначения. Методики расчета, разработанные при проведении исследований, могут быть использованы в конструкторских разработках.

Основные результаты исследований доложены на шести международных научно-технических конференциях, разработанные технические предложения защищены двумя патентами на изобретения.

135 Выводы

1. Разработана техническая документация и изготовлены рабочие макетные образцы бесконтактных двигателей постоянного тока торцевого исполнения с индуктивным датчиком угла в качестве датчика положения ротора.

2. Экспериментально исследованы рабочие характеристики образцов БДПТ торцевого исполнения при их питании от источника постоянного напряжения в диапазоне 10 - 18 В. Установлено, что механические и регулировочные характеристики двигателя во всем диапазоне напряжений питания носят линейный характер, число оборотов двигателя в режиме холостого хода изменяется в пределах 4800 - 9500 об./мин, а пусковой момент в пределах 27 -52 Гсм.

3. Исследованы закономерности распределения магнитной индукции в рабочем зазоре ( величина зазора 3 мм.) двигателей торцевого исполнения. Установлено, что распределение индукции в зависимости от угловой координаты описывается косинусоидальной зависимостью с амплитудой 0.47 Тл ± 10%, а от радиальной координаты имеет колоколообразный характер. Исследование распределения индукции осуществлено при выполнении полюсов индуктора в виде цилиндрических магнитов диаметром d = 8 мм, составляющим половину полюсного деления по образующей окружности вращения. Характеристики В = f2(R) сняты при смещении исследуемой точки относительно центра магниd 3d та на величину + — *--.

2 2

4. Экспериментальные исследования временных зависимостей величин ЭДС вращения, индуцируемой в якорных обмотках, подтвердили синусоидальный характер их изменения. Отклонения экспериментальных значений ЭДС от расчетных не превысили 10%, а коэффициент гармоник не превысил 3%.

5. Исследованы временные зависимости изменений токов и напряжений в якорных обмотках в диапазоне скоростей вращения двигателя 1200 -9000 об./мин при изменении длительности и момента подключения якорных обмоток к источнику. Эксперименты подтвердили выводы теоретического анализа, что пульсация мгновенных значений токов в якорных обмотках зависит от скорости вращения и нарастает с ее увеличением вследствие увеличения ЭДС вращения. Характер пульсации существенным образом зависит от интервала коммутации т моментов включения и выключения обмоток. Показано, что при длительности интервала коммутации равном четверти периода и при сдвиге момента коммутации относительно изменения знака ЭДС вращения на 1/8 периода, реализуется симметрирование токовых импульсов относительно их середины. В этом случае при скорости равной 0.512 п0 обеспечивается практическое постоянство мгновенных значений мощности, развиваемой двигателем, а пульсации мгновенных значений скорости минимальны.

6. Проведено исследование механических характеристик БДПТ с введением в схему управления двигателя обратной связи по скорости, включаемой по командным сигналам при достижении скорости вращения установочных значений. При этом осуществлялось регулирование интервалов включения якорных обмоток по сигналам обратной связи, определяемых разностью текущего значения скорости и ее установочного значения. В исследуемых образцах при использовании микропроцессора с тактовой частотой 5 МГц в диапазоне регулирования обеспечивается пятикратное повышение жесткости механической характеристики по сравнению с естественной характеристикой.

7. Экспериментально подтверждена работоспособность БДПТ с индуктивным датчиком углового положения ротора во всем диапазоне изменения нагрузочного момента. Спроектированные в процессе разработки двигателя индуктивные датчики подтвердили возможность формирования с их помощью информации об угловом рассогласовании осей ротора и статора в интервале измеряемых углов 0 + 2к. Точность измерения угла рассогласования взаимного положения осей ротора и статора, как в статическом, так и динамическом режиме, оказалась не ниже 3%.

Заключение

1. Исследована возможность формирования рабочих характеристик электропривода на базе бесконтактных двигателей постоянного тока путем использования в его схеме управления внутренней регулируемой обратной связи по скорости вращения. Разработаны и обоснованы способы и схемы, обеспечивающие необходимые закономерности формирования импульсов напряжения, питающих якорные обмотки двигателя, позволяющие сформировать рабочие характеристики электропривода электронным способом для обеспечения режимов стабилизации скорости, электромагнитного момента и мощности в заданных диапазонах рабочих скоростей двигателя.

2. Проведен теоретический анализ временных закономерностей изменения ЭДС вращения и токовых импульсов в якорных обмотках БДПТ торцевого исполнения. Установлены зависимости мгновенных значений якорных токов и электромагнитного момента как функции скорости вращения двигателя и момента подключения якорных обмоток к источнику питания. Показано, что при фазовом смещении момента подключения, составляющим 1/8 периода, и длительности интервала коммутации равной 1/4 периода, частично обеспечивается взаимная компенсация влияния на величину электромагнитного момента ЭДС вращения и временных изменений якорных токов. При скорости равной 0.512«0 компенсация практически полная, что обеспечивает постоянство электромагнитного момента при угловом изменении положения ротора. На основе этого анализа выработаны рекомендации по оптимизации интервалов подключения якорных обмоток исполнительного двигателя электропривода к источнику. Установлены требования к временным зависимостям сигналов обратной связи.

3. Разработан способ и устройство формирования механической характеристики БДПТ, обеспечивающие стабилизацию средней за оборот скорости вращения двигателя с использованием сигнала обратной связи, формируемого по частоте коммутирующих импульсов, питающих якорные обмотки.

4. Предложен способ и устройство одновременной стабилизации, как средней за оборот, так и мгновенной скорости вращения двигателя, основанные на заполнении рабочих интервалов коммутации якорных обмоток пачками тактовых импульсов с частотой следования, на порядок превышающей частоту коммутации якорных обмоток, и с последующей широтной модуляцией тактовых импульсов по закону, определяемому совместной обработкой сигналов обратной связи по скорости и сигналов параметрического аналогового датчика углового положения ротора при установленном значении стабилизируемой скорости.

5. Рассмотрены функциональные зависимости сигналов обратной связи, обеспечивающие возможности стабилизации мощности и электромагнитного момента электропривода при изменении скорости вращения двигателя в установленном диапазоне. Показано, что при формировании сигнала обратной связи по параболическому закону в функции от текущего значения скорости двигателя обеспечивается стабилизация мощности в заданном диапазоне скоростей. В частности в диапазоне скоростей (0.25 -ь 0.75) По расчетная нестабильность электромагнитной мощности не превышает 1%. Показано, что при формировании сигнала обратной связи по закону степенного полинома третьей степени обеспечивается постоянство электромагнитного момента в диапазоне скоростей (0.5 - 0.75) п0 с максимальным отклонением от среднего значения, не превышающем 4%,

6. Проведен теоретический анализ электромагнитного поля в рабочем зазоре параметрического датчика угла индуктивного типа, предложены схемы построения датчика с диапазоном измерения угла 0 + 2;г рад. Принцип действия индуктивного датчика основан на измерении индуктивности неподвижных плоских катушек при их взаимодействии с системой подвижных индукторов, выполненных в виде последовательно чередующихся дисков из ферромагнетика и диамагнетика с высокой электропроводностью. Пары катушек индуктивности, размещенные диаметрально противоположно на носителе и включенные в плечи мостовой схемы формируют синусоидальный сигнал, значения которого определяются угловым рассогласованием положений осей ротора и статора.

7. Предложена конструкция и схема формирования выходного сигнала емкостного датчика для измерения угла в диапазоне 0 + 2ж, предназначенного для использования в качестве датчика положения ротора БДПТ. Спроектирован и изготовлен макетный образец электромеханического привода на базе бесконтактного моментного двигателя ДБМ-40 и емкостного датчика угла, отличающийся конструктивной простотой и технологичностью по сравнению с вращающимися трансформаторами, разработанными для специальных режимов использования двигателей типа ДБМ. Экспериментальные исследования электромеханического привода подтвердили его работоспособность при достаточно высокой точности измерения угла.

8. Проведено конструкторское и схемотехническое проектирование, разработана техническая документация и изготовлены рабочие образцы электроприводов на базе бесконтактных двигателей торцевого исполнения и индуктивных датчиков углового положения ротора. Экспериментально исследованы электромагнитные процессы двигателя, его механические и регулировочные характеристики. Основные положения и выводы, работоспособность разработанных технических предложений подтверждены экспериментально.

1. Аветисян Д.А. Основы автоматизированного проектирования электромеханических преобразователей; Учеб. пособие для электромехан. спец. втузов. М.: Высшая Школа, 1988. - 271 с.

2. Алволоткин Н.П., Гращенков В.Т., Лебедев Н.И. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. Д.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.

3. Алексеенко А.Г., Колумбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.: Радиосвязь, 1985. - 155 с.

4. Андре Анго. Математика для электро и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.-780 с.

5. Афанасьев A.A., Воробьев А.Н. Новый метод расчета плоско-параллельных магнитных полей // Электричество,- 1993. № 10. - С. 37- 43.

6. Аракелян А.К., Афанасьев A.A. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод.- Т. 1. — М.: Энергоатомиздат, 1997. 508 с.

7. Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1975. - 128 с.

8. Балагуров В.А. Перспективы применения постоянных магнитов в электрических машинах // Труды МЭИ. 1980. - Вып. 483. - С. 27-30.

9. Балагуров В.А. Перспективы применения новых высококоэрцитивных магнитов в электрических машинах и аппаратах // Труды МЭИ. 1975. - Вып. 264.-С. 6-8.

10. Беленький Ю.М., Елифанова Л.М., Зеленков Г.С. Бесконтактный момент-ный привод для замкнутых систем автоматического управления / Электротехника,- 1986. № 2. - С. 11 -14.

11. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1970. - 412 с.

12. Болотнов С.А., Енин В.Н., Николаев С.С. Электромеханический модуль следящего привода // Труды Международной научно-технической конфе

13. Делекторский Б.А., Мастяев Н.З., Орлов И.Н. Проектирование гироскопических электродвигателей. М.: Машиностроение, 1968. - 252 с.

14. Делекторский Б.А., Никаноров В.Б. Бесконтактный трансформаторный то-коподвод для гироскопических устройств // Труды МЭИ. 1977. - Вып. 339.-С. 45-51.

15. Делекторский Б.А., Нагайцев В.И. К расчету ЭДС торцевого многополюсного электродвигателя с цилиндрическими магнитами и спиральными секциями якоря // Труды МЭИ. 1979. - Вып. 425. - С. 50-54.

16. Джексон Дж. Классическая электродинамика. М: Мир, 1965. - 702 с.

17. Дубенский A.A. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967.- 144 с.

18. Енин В.Н., Кукушкин Ю.Т., Николаев С.С. Емкостной функциональныйпреобразователь угла. // Электротехника, электромеханика и электротехнология. Труды международной конференции- Клязьма (Россия), 2000. -С. 134-138.

19. Жарков Ф.П., Каратаев В.Ф. и др. Основы использования виртуальных инструментов Lab view. М.: Радио и связь, 1999. - 268 с.

20. Жемчугов Г.А., Погосов A.A. Полная система дифференциальных уравнений вентильного двигателя постоянного тока // Электричество. 1977. -№ 5. - С. 12-16.

21. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982.285 с.

22. Зимин Е.Ф., Кочанов Э.С. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 256 с.

23. Игнатов В.А., Вильданов К.Я. Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального исполнения. М.: Энергоиздат, 1988. - 304 с.

24. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 314 с.

25. Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. М.: Энергоиздат, 1981. - 140 с.

26. Калантаров П.Л., Цейтлин JI.A. Расчет индуктивностей: Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.

27. Кенио Т, Нагомори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 184 с.

28. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. М.: МЭИ, 1999. -11с.

29. Корн Г, Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Пер. с англ. М.: Наука, 1984. - 831 с.

30. Косулин В.Д., Михайлов Г.Б., Омельченко В.В. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов. Л.: Энергоатомиздат, 1988.- 184 с.

31. Косулин В.Д., Михайлов Г.Б. Вентильный электродвигатель, как импульсная система с переменными параметрами. М.: Электротехника, 1982. -80 с.

32. Косулин В.Д., Михайлов Г.Б. Пульсации мгновенной частоты вращения бесконтактного двигателя постоянного тока с позиционной модуляцией фазных напряжений. //Электромагнитные элементы автоматики: Межвузовский сборник.- Л.:, 1980.-Вып. 144.-С. 17-21.

33. Курбатов П.А, Аринчин С.А. Численный расчет электромагнитных полей. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 168 с.

34. Ламмеранер И., Штафль М. Вихревые токи. JL: Энергия, 1967. - 201 с.

35. Лебедев Н.И., Ганшау В.М., Явдошак Я.И. Вентильные электрические машины. СПб.: Наука, 1996. - 352 с.

36. Ледовский А.Н. Выбор конструкции электрической машины с высококоэрцитивными магнитами // Электроника. 1983. -№ 1. - С. 12-14.

37. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными магнитами. М.: Энергоиздат, 1985. - 169 с.

38. Магниты из сплавов редкоземельных металлов с кобальтом. // Материалы второго международного семинара по постоянным магнитам из сплавов редкоземельных металлов с кобальтом и их применению. 1978. - 255с.

39. Мельников Н.В. Электроприводы в бытовой технике // Привод и управление. 2000. - № 3. - С. 27-30.

40. Михайлов Г. Б. Разработка и исследование бесконтактных двигателейс преобразователями в классе «Д»: Дис. . канд. техн. наук. Л., 1977. -180с.

41. Москаленко В.Ф. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоиздат,1986.- 172с.

42. Мейстель A.M., Наумычева К.И. Электропривод и автоматизация промышленных установок. Электропривод к вентильным двигателям. М.: ВИНИТИ, 1974 - Том 4.-217 с.

43. Нагайцев В.И. Встраиваемый приборный магнитоэлектрический двигатель дискового исполнения. //Электротехнические комплексы автономных объектов/Труды научно-технической конференции. М, 1997.-С. 133-135.

44. Нагайцев В.И. Разработка и освоение производства вентильных электроприводов бытовых и промышленных механизмов. //Рынок. Наука. Производство: Доклады 5-го научно практического семинара. М, 1996. - С. 6263.

45. Нагайцев В. И. Совмещенный автогенераторный датчик положения ротора гиродвигателя // Труды МЭИ. 1981. - Вып. 546. - С. 27-33.

46. Николаев С.С. Определение характеристик чувствительных элементов емкостных датчиков // Труды ЛИТМО. 1970. - Том XIII. - № 7. - С. 12-17.

47. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока автоматических устройств. Л.: Наука, 1966. - 157 с.

48. Овчинников И.Е. Энергетические характеристики бесконтактных двигателей и их оптимизация // Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Л.: Наука, 1972. - С. 19-38.

49. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока с транзисторными коммутаторами. Л.: Наука, 1979. - 270 с.

50. Особенности расчета магнитоэлектрических машин малой мощности с редкоземельными магнитами. / В.А. Балагуров, A.B. Васин, A.B. Звеков, и др. // Труды МЭИ. 1984. - № 32. - С. 27-34.

51. Петров Г.Н. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. М.:1. Энергия, 1968.-140 с.

52. Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики. СПб.: Политехника, 1995. - 472 с.

53. Пожидаев В.М., Омельченко В.В. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока для систем автоматики. Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского. -1977.-80 с.

54. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Изд-во иностр. лит., 1954.-604 с.

55. Современная математика для инженеров / Под ред. Э. Ф.Беккенбаха. М.:

56. Изд-во иностр. лит., 1959. 500 с.

57. Столов Л.И, Зыков Б.И. Моментные двигатели с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1977. - 205 с.

58. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. М:1. Энергоиздат, 1969. 224 с.

59. Стома С.А., Ремизов В.Е. Использование высокоэнергетических постоянных магнитов в электромеханике // Труды Всесоюзн. науч. исследов. ин-та электромеханики. 1989. - Т. 91. - С. 5-10.

60. Сили С. Электромеханическое преобразование энергии: Пер. с англ. М.: Энергия, 1968.-375 с.

61. Современная математика для инженеров / Под ред. Э.Ф. Беккенбаха. М.:

62. Изд-во иностр. лит., 378 с.

63. Сулин Г.А. Основы расчета постоянных магнитов датчиков взрыватель-ных устройств. СПб.: Балтийский государственный университет, 1995. — 38 с.

64. Сулин Г.А. Теоретические основы расчета сенсорных систем. СПб.: Балтийский государственный университет, 2000. - 64 с.

65. Розно Ю.Н. Некоторые особенности применения редкоземельных магнитов // Электронная техника в автоматике.(М.), 1981. Вып. 12. - С. 244-251.

66. Розно Ю.Н. Редкоземельные магниты как средство миниатюризации устройств электромеханического преобразования энергии // Электронная техника в автоматике. (М)., 1980.-Вып. 11.-С. 185.

67. Текеути Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей: Пер. с англ. JL: Энергия, 1973. - 248 с.

68. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии.: Пер. с англ. М.: Энергия, 1964. - 527 с.

69. Цаценкин В.К. Безредукторный автоматизированный электропривод с вентильными двигателями. М.: Изд-во МЭИ, 1991. - 240 с.

70. Чиликин М.Г., Сандлер A.C. Общий курс электропривода. М.: Энерго-атомиздат, 1981. - 3 87 с.

71. Шерстняков Ю.Г. Расчет ЭДС вращения магнитоэлектрического двигателя // Актуальные проблемы фундаментальных наук: Тез. докл. Второй международной науч. техн. конф- М., 1994. С. 248.

72. Электропривод и автоматизация промышленных установок / Под ред. И.И. Петрова. М.: ВИНИТИ, 1974. - 218 с.

73. Юркевич Е.И. Теория автоматического управления. JL: Энергия, 1969. -374 с.

74. А. с. 656160 СССР МКИ Н 02 К 29/00. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока / Б.А. Делекторский, В.И. Нагайцев, Ю.И. Тарасов и др. // Б.И.- 1979,- 1979,- № 13.

75. А. с. 1661929 СССР МКИ Н 02 К 29/12. Вентильный электродвигатель / В.А. Демин, А.М. Кочетков, В.И. Львов. //Открытия, изобретения.-1991,-№25.

76. А. с. 667799 СССР. МКИ G 01 В 7/08. Емкостной дифференциальный датчик угла поворота. / Г.С. Вильнер, А.Ф. Кузин, В.П. Лукьянов и др. // Б.И.- 1979,- №22.

77. A.c. 1413411 СССР МКИ G 01 В 7/08. Емкостной преобразователь угла поворота до 360 %. / А.И. Котлярский, В.А. Павленко, Ю.А. Ту рицин. // Б.И.- 1988,-№28.

78. А. с. 256038 СССР МКИ Н 02 К 20/06. Устройство для управления бесколекторным электроприводом постоянного тока / Г.И. Важов, В.Г. Клейман, Б.Д. Приданцев. //Б.И.- 1969, -№34.

79. A.c. 605291 СССР МКИ Н 03 М 1/26. Емкостной датчик положения ротора вентильного электродвигателя / А.Л. Кочураев. // Б.И 1978, - № 16.

80. А. с. 604091 СССР, МКИ Н02К 29/06. Управляемый вентильный электродвигатель / В.Г. Грашенков, A.C. Минин. // Б.И.- 1978,- № 15.

81. Пат. 1711635 РФ, МПК 6 Н02К 29/06. Реверсивный вентильный электродвигатель / Е.И. Борисов, Г.Л Кальманович, Г.Д. Кочергин. 1995, № 19.

82. Пат. 2176846 РФ, МГПС 7 Н02К 29/06. Индуктивный датчик положения ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока / Ю.Т. Кукушкин, С.С. Николаев, Ю.Г. Шерстняков. 2001, № 34.

83. Пат. 2173931 РФ, МПК 7 Н02Р 6/06. Устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока / Ю.Т. Кукушкин, С.С. Николаев, Ю.Г. Шерстняков. -2001, №,26.

84. Pat. USA № 282798 МПК 7 Н02Р 6/02. Langley Motor control circuit fora brushless DC electric motor. 1991.