CC BY
99
УДК 621.856.8
ДИСКРЕТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ С КИНЕСТЕТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ ПОЛОЖЕНИЯ
Ю.C. Смирнов, А.В. Соколов, А.Н. Лысов
г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет
DISCRETE DISPLACEMENT CONVERTER WITH KINESTHETIC POSITION CONVERTER
Y.S. Smirnov, A.V. Sokolov, A.N. Lysov Chelyabinsk, South Ural State University
Рассмотрены варианты построения электромеханических (ЭМП) и элек-тромехатронных (ЭМТП) преобразователей с использованием шагового электропривода (ШЭП), его динамика и её влияние на износ элементов передаточного механизма (ПМ), получены выражения для оптимизации его передаточного числа.
Ключевые слова: электромеханический и электромехатронный преобразователи, шаговый электродвигатель, энергоэффективность, самоорганизация, интеллект и синергия, передаточный механизм, оптимизация редукции и надёжность.
Options for construction of electromechanical (EMC) and electromechatronic (EMTC) converters with the use of step electric drive (SED) are considered, its dynamics and influence on gear mechanism (GM) elements wear are considered, formulae for optimization of its transfer number are received.
Keywords: electromechanical and electromechatronic converters, step electric drive,power efficiency, self-organization, intelligence and synergy, gear mechanism, optimization of reduction and reliability.
Для традиционного построения электромеханических преобразователей (ЭМП) используются непрерывные электродвигатели, запитывае-мые от источника переменного тока. Однако для автономных устройств, запитываемых от генераторов постоянного тока, аккумуляторов или емкостных накопителей, более предпочтительным является использование бесконтактных электродвигателей с постоянными магнитами (БЭПМ) и дискретной коммутацией.
Широкое применение получил дискретный шаговый электропривод (ШЭП) [1], структура которого предельно проста (рис. 1, а), а информационное обеспечение возложено на электромагнитное взаимодействие между ротором и статором ШЭД. Формирование закона управления осуществляет формирователь сигналов коммутации (ФСК), на выходе которого устанавливались величина (Mod) и знак (Sign) унитарного кода, частота импульсов в котором задает скорость перемещения объекта управления (ОУ), а количество импульсов - его величину. При этом структурно ШЭП (рис. 1, а) оказывается разомкнутым по перемещению и может устойчиво работать в идеализированных условиях отсутствия помех и пропадания питания. Наличие этих факторов в боль-
шинстве случаев исключают применение разомкнутого ШЭП в ответственных системах.
Введение контура главной обратной связи (ГОС) по перемещению устраняет основной недостаток разомкнутого ШЭП. В робототехнике и мехатронике наибольшее распространение получили кинестетические датчики перемещения (КДП). В настоящее время свыше 70 % информационных устройств промышленного производства реализуют кинестетические функции [2].
На рис. 1, б представлены выходные характеристики трех типов КДП: индукционного датчика положения (ИДП), линейного вращающегося трансформатора (ЛВТ) и бесконтактного магнитного датчика (БМД). Для линейного преобразования перемещения в диапазоне ±360° используются преобразователи «угол - параметр-код» с синуснокосинусным вращающимся трансформатором (СКВТ) [2] в амплитудном или фазовом режимах [3]. Механически КДП сопрягается непосредственно или через передаточный механизм (ПМ) с ОУ, а информационно - с ФСК (см. рис. 1, а).
Вариант ЭМП (рис. 2, а) с транзисторным электронным коммутатором (ЭК) и ШЭД типа ДІІІ-0.04В потребляет от сети до 30 Вт при парной коммутации в режиме фиксированной стоянки под
Преобразовательная техника
током. Электроника размещается на типовой плате. Механизм (рис. 2, б) состоит из цилиндрической и червячной передач - последняя является необратимой, что устраняет влияние ОУ через ПМ на ШЭД.
Электромехатронный преобразователь (ЭМТП) благодаря структурным и алгоритмическим изменениям в электронной части позволяет в 2 раза повысить энергоэффективность преобразования за счет использования ШЭД большей мощности с прежним потреблением от сети и механизмом (см. рис. 2, б).
ЭМТП отличается от ЭМП следующими особенностями.
1. Синергическим характером интеграции составляющих, который определяется тем, что создается устройство, обладающее свойствами, превышающими возможности каждого из них и их суммы.
2. Непременным условием создания ЭМТП является его интеллектуализация на основе оценки значений координат перемещения, за которые приняты позиционная ошибка или скорость ее изменения.
Поскольку ЭМТП должен обладать интеллектом, то наличие ГОС является не только достаточным, но и необходимым условием отнесения этого преобразователя энергии и формы информации к ЭМТП. Наличие контура ГОС позволяет придать ему второй необходимый и достаточный признак -синергетический эффект, позволяющий в результате интеграции в едином устройстве информационной и исполнительной частей получить эффект, превышающий сумму эффектов составляющих.
Повышение эффективности замкнутых ЭМТП с ШЭД стало возможным благодаря использованию их алгоритмических возможностей в части микропрограммного управления [3]. Это позволило реализовать самоорганизующиеся структуры интеллектуальных ЭМТП, обладающих синергией на основе структуры, представленной на рис. 3, а.
В отличие от структуры ЭМП (см. рис. 1, а) она содержит формирователь алгоритмов управления (ФАУ), который действует на основе оценки информации, поступающей от КДП, формируя сигнал А^ смены алгоритма управления ШЭД. В пределах линейной части выходной характеристики КДП (см. рис. 1, б) ШЭД управляется по алгоритму парной коммутации в направлении умень-
шения рассогласования. При входе в зону нечувствительности ±Х (см. рис. 1, б) ротор ШЭД фиксируется на алгоритме поочередной коммутации, при котором потребление тока снижается вдвое по сравнению с алгоритмом парной коммутации. С целью устранения периодических режимов направление последнего шага сохраняется прежним относительно направления входа в зону, что приводит к снижению погрешности позиционирования и износа элементов ПМ. Построение и работа ФАУ описаны в [3].
Структурное, алгоритмическое и информационное обеспечение процесса управления в сочетании с удачной конструкцией ПМ (см. рис. 2, б) позволили реализовать в процессе модернизации самоорганизующийся ЭМТП с удвоенным выходным моментом за счет применения ШЭД типа Д111-0.1 В (рис. 3, б) без увеличения потребляемой мощности. Микроэлектроника ЭМТП выполнена на отечественных ИМС и размещена на типовой плате (рис. 3,б). В настоящее время ведутся работы по замене ИМС средней степени интеграции на микроконтроллер типа АУЯ.
Изменение структуры может иметь одну из трех целей: расширение адаптивных и функциональных возможностей, совершенствование систем в процессе эксплуатации. Рассмотренный пример самоорганизующейся ЭМТП с ШЭД иллюстрирует одновременную реализацию всех трех целей, т. е. комплексное решение задачи повышения эффективности.
При решении задачи идентификации динамических свойств комплекса «ЭК-ШЭД», являющегося основным динамическим звеном замкнутого ЭМТП, был учтен постулат академика А.Ю. Ишлинского о том, что САУ любой сложности реагирует на входное ступенчатое воздействие, в нашем случае переключение обмоток ШЭД, подобно звену второго или третьего порядка. Эксперимент и моделирование подтвердили правомерность применения постулата [4].
Анализ устойчивости замкнутого ЭМТП с ШЭД произведен в соответствии со структурой на рис. 4. Пользуясь теоремами смещения, линейно-
сти и сдвига, получим импульсную передаточную функцию для импульсной системы с безразмерным временным запаздыванием a = t/Ty [5]:
ч eq e2q cos юг- eqe~л cos ю(1 -e) _„E
K (q, e) = —---------------------------------—-3-e ^e-
eq -1 e q - 2eqe ^ cos ю + e
_ \ eq sin ю(1- a) + e_л sin йа -Л(1 -a) (1)
ф _ ^2 e2q -2eqe-л cos ю + e
Рис. 4. Эквивалентная структура ЭМТП с ШЭД
Оптимизация величины редукции ПМ.
Диапазон вариаций редукции ір ПМ ограничен условиями, в которых для достижения требуемого быстродействия
іРБ адв Уупр / ^ (2)
а для получения необходимой точности
іРБ ^ ^дв / ^доп , (3)
где адв - величина шага двигателя; /упр - частота
управляющих импульсов; ^шах - максимальная
скорость входного воздействия; 8доп - допустимая
величина статической ошибки ЭМТП.
Определим выражение для получения оптимального передаточного числа ПМ, обеспечивающего максимальные ускорения исполнительного вала механизма. Из выражений (2) и (3) легко получить пределы изменения нагрузочного момента двигателя; линеаризуя зависимости в предлагаемых рабочих точках характеристики, получаем выражение вида
Преобразовательная техника
/дв = /0
1-к
¿н
-к1М1
(4)
р 7
где /0 - частота импульсов холостого хода ШЭД; к - коэффициент, учитывающий влияние момента инерции нагрузки; к1 - коэффициент, учитывающий влияние момента нагрузки типа «сухого» трения; Мпр - приведенный к валу ШЭД момент нагрузки.
Скорость ®н выходного вала ПМ определяется выражением
(Т Т '
—н—\- Т .2 ред
Ид. . . I гр ) , мн
ю„ =-
/0
1—
¿р
Приравняв нулю производную
- к1
ё юн йір
. (5)
получим
выражение
ір2 - Г
2к1Мн
1 - к-
-гр -
ред
/0
• = 0
(6)
р 7
¿р
Оптимальное передаточное число іопт ПМ определяется:
(7)
Величина момента инерции ПМ, как показывает опыт проектирования ЭМТП с ШЭД, находится в диапазоне
Тред = (0,3...0,8)Тр . (8)
Наряду с положительными сторонами при использовании ШЭД в ЭМТП часто возникают вопросы, связанные с проектированием ПМ. Это
связано с импульсным возбуждением обмоток двигателя и приводит к дискретному характеру перемещения ротора. Это дискретное перемещение, сопровождающееся колебаниями ротора в пределах шага (1), вызывает существенное увеличение динамических нагрузок на ПМ. Поэтому вопросы, связанные с исследованием надежности механизмов с ШЭД, имеют важное значение с точки зрения эксплуатации.
Идентификация динамических показателей ЭМТП с ШЭД [4] позволяет по иному подойти к исследованию надежности механических передач. В связи с тем, что при больших изменениях физических параметров ЭМТП с ШЭД его относительные единицы [1] изменяются в сравнительно небольших диапазонах, удается обойтись сравнительно небольшим числом испытаний и результаты этих испытаний распространить на большое число ПМ.
Для определения динамических нагрузок, действующих на механизмы, необходимо определить величину угловых ускорений. Используя систему относительных единиц и эквивалентную структуру ЭМТП с ШЭД (см. рис. 4), удается построить зависимость относительного ускорения £ как функцию относительной частоты управляющих импульсов/ (рис. 5, а). Определение относительного ускорения проводилось методом фазовой поверхности (характеристика 1), при моделировании на ЭВМ (характеристика 2) и экспериментально (характеристика 3). Величина истинного ускорения легко определяется из соотношения С20 ю2 С20 Мтах С20
= _°-----= _тх-------. (9)
Ж 2
Сопоставляя результаты (рис. 5, а), можно отметить, что в расчетах надежности при определении ускорений, действующих на ПМ, можно использовать метод фазовой поверхности, который дает несколько завышенные результаты. Экспериментальные характеристики износа приведены на рис. 5, б.
Результаты испытаний показали недопустимость возникновения в ЭМТП с ШЭД периодиче-
ских режимов с малыми периодами даже несмотря на то, что они могут не влиять на качество всей системы. Если при отсутствии периодических режимов продолжительность наработки t до катастрофического износа составляет приблизительно 2500 часов, то при наличии периодических режимов износ до того же уровня наступает значительно быстрее. Так, например, если периодический режим имеет относительный полупериод N=2, то продолжительность наработки составляет всего 250 часов (рис. 5, б).
Введение контура местной обратной связи (МОС) переводит БЭПМ в режим вентильного электродвигателя (ВЭД), имеющего по сравнению с ШЭД более высокую энергоэффективность. Благодаря количественным изменениям динамические характеристики ЭМТП претерпевают качественное изменение, состоящее в переходе от колебательного характера перемещения в пределах шага к апериодическому, что согласуется с положениями упомянутого выше постулата.
Переход в ЭМТП на использование ВЭД вместо ШЭД позволяет удвоить ресурс работы элементов ПМ до катастрофического износа. Дальнейшее повышение надёжности ЭМТП достигается в его безредукторных вариантах [5, 6].
В заключение следует отметить, что исполнение ПМ характеризуется большим разнообразием, так же как и существенными вариациями нагрузок, действующими на механические передачи. Поэтому создание прецизионных ЭМТП [7], обладающих повышенной мощностью является перспективным направлением электромеха-троники.
Литература
1. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / под общ. ред. М.Г. Чиликина. - М.: Энергия, 1971. - 624 с.
2. Воротников, С.А. Информационные устройства робототехнических систем: учебное пособие / С.А. Воротников. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 384 с.
3. Домрачев, В.Г. Цифроаналоговые системы позиционирования (Электромехатронные преобразователи) / В.Г. Домрачев, Ю.С. Смирнов. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с.
4. Смирнов, Ю.С. Эквивалентные структурные схемы дискретных электромехатронных преобразователей /Ю.С. Смирнов //Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2012. - Вып. 15. - № 3 (262). - С. 81-86.
5. Смирнов, Ю.С. Особенности динамики замкнутых электромехатронных преобразователей с шаговыми электродвигателями / Ю.С. Смирнов, А.В. Соколов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2012. - Вып. 15. - №3 (262). - С. 87-90.
6. Лысов, А.Н. Управление моделирующим стендом, построенным на базе трёхосного гиростабилизатора / А.Н. Лысов, Е.С. Шмигун // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - № 9 (38), 2004. - С. 65-70.
7. Мощный высокоточный привод, защищенный патентами на системы стабилизации, двойных энкодеров и автоматического наведения компании 8ку^МоНгг // Популярная механика. -2012. - № 4 (114). - С. 117.
Поступила в редакцию 14.02.2012 г
Смирнов Юрий Сергеевич - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры «Приборостроение», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Контактный телефон: 8-(351) 260-68-42.
Smirnov Yury Sergeevich is a Doctor of Science (Engineering), an Honored Scientist of the Russian Federation, a Professor of Instrument Engineering Department of South Ural State University; tel: 8-(351) 260-68-42.
Соколов Александр Васильевич - старший преподаватель кафедры «Автоматизация механосборочного производства», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. E-mail: ialexsok@gmail.com.
Sokolov Alexander Vasilevich is a senior teacher of Mechanical Assembly Production Automation Department of South Ural State University. E-mail: ialexsok@gmail.com.
Лысов Александр Николаевич - доктор технических наук, заведующий кафедрой «Приборостроение», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Контактный телефон: 8-(351) 267-90-12. E-mail: anlysov74@yandex.ru.
Lysov Aleksander Nikolaevich is a Doctor of Science (Engineering), a head of Instrument Engineering Department of South Ural State University. E-mail: anlysov74@yandex.ru; tel: 8-(351) 267-90-12.
