Квалификационная работа на соискание степени бакалавра
«Модернизацияэлектропривода шагового двигателя Шд5»
Введение.
Современный электропривод представляет собой конструктивноеединство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силовогопреобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразованиеэлектрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работытехнологической установки. Разработка высокопроизводительных, компактных иэкономичных систем привода является приоритетным направлением развитиясовременной техники [1].
В даннойработе рассматривается электропривод для шагового двигателя ШД-5Д1МУЗ (вдальнейшем именуемые просто, как ШД5). К сожалению, сейчас разработкамиэлектроприводов для шаговых двигателей, занимаются, в основном, за рубежом.Широкое применение двигателей ШД5¹ на установках в Институте ядернойфизики (в ИЯФе около 200 экземпляров) и в промышленности для числовогопрограммного управления (ЧПУ) послужило основанием для разработки новогоэлектропривода, взамен старому ПШД5/80, разработанному в ИЯФе.
Основнымнедостатком ПШД5/80 является морально – устаревшая элементная база. Таклогическое управление существующего привода выполнено на ТТЛ – логике. Асиловая часть выполнена из шести каналов. В каждом канале имеется четыребиполярных транзистора. При этом работа привода сопровождается значительнымвыделением тепла. Поэтому, в существующим приводе использовались громоздкиерадиаторы. Более того, привод требовал принудительного воздушного охлажденияпри интенсивной работе блока. ТТЛ – логика позволяла выполнить управлениедвигателем по простейшей схеме релейного управления токами в фазах. Из – заэтого присутствовали пульсации момента двигателя на низких скоростях вращения,а также при старте и торможении. Важный параметр для устройств ЧПУ – отсутствиепульсаций момента независимо от скорости вращения и нагрузки на двигатель.Также важна возможность управлять ускорением при разгоне и торможении, когдавлияние на работу двигателя оказывают силы инерции.
Добиваясьдолжного управления на ТТЛ – логике, приходилось бы использовать громоздкиеплаты с множеством микросхем, что в свою очередь могло привести к снижениюнадёжности работы привода, и появлению специальных программных обеспечений поуправлению приводом. Такой привод мог не найти применения в промышленности.Поэтому в старой разработке привода ограничились простейшей схемой управлениядвигателем. Но современное развитие производства электронных компонентовпослужило толчком для модернизации имеющегося привода. Так, например, сейчасфирмой Altera выпускаются программируемые логические матрицы, позволяющиезапрограммировать логику порядка 1000 триггеров. Также в последнее времяпоявились полевые транзисторы средних мощностей и драйверы к ним, фирмыInternational Rectifier, которые позволяют выполнить силовую часть приводанаиболее простой. Таким образом, появились тенденции для разработки новогопривода. Его конструктивные особенности будут изложены далее. А для начала яостановлюсь на особенностях самого шагового двигателя, для которогоразрабатывается новый привод. Ведь выбрать оптимальный режим управленияпривода, можно только изучив подробно работу самого шагового двигателя,которому и посвящается следующий раздел.
1. Особенности работышагового двигателя
1.1 Устройство
Двигатель ШД5, по числуобмоток управления (числу фаз), относится к многофазным (имеет шесть фаз)шаговым двигателям, с электромагнитной связью ротора и статора. Такие двигателиполучили наибольшее распространение по сравнению с двигателями, имеющимимеханическую¹ связь ротора и статора, ввиду лучших динамическиххарактеристик. По своей природе они являются синхронными двигателями,сохраняющими синхронизм не только при движении ротора, но и при пуске,торможении, реверсе, а также допускают длительную фиксированную остановкуротора, когда по обмоткам ротора проходит постоянный ток.
По типумагнитной системы ШД5 относится к параметрическим двигателям. Он имеет зубчатыйферромагнитный ротор, выполняющий роль модулятора магнитной проводимостивоздушного зазора между статором и ротором.
По способувозбуждения ШД5 относится к классу реактивных двигателей, так как ротор неимеет возбуждения, и независимо от направления тока, одинаково ориентируетсяотносительно возбужденного полюса.
По моменту, развиваемому на валу, ШД5относится к серводвигателям (его момент составляет 0.14 Н/м), а по характеруперемещения к поворотному типу [2]. Таким образом, при подаче на двигательимпульсов управления, он совершает вращательное движение. Как это происходит,становится понятно при рассмотрении устройства шагового двигателя.
Статор шагового двигателя (рис. 1) среактивным ротором имеет выступающие полюса, вокруг которых укладываютсяобмотки, соединяемые в фазы. Ротор представляет собой многополюсную зубчатуюконструкцию. Обмотки двух противоположных полюсов статора соединяютсяпоследовательно и при протекании по ним тока образуют полюса противоположнойполярности. При этом ротор занимает фиксированное положение, соответствующеенаибольшей магнитной проводимости пути замыкания магнитного потока статора дляданной возбуждённой фазы. При подаче импульса управления в следующую фазу роторзанимает новое фиксированное положение, совершая при этом шаг
α = 2π/(zpm) (1)
где zp – число зубцов ротора; m– число обмоток управления на статоре, пространственно сдвинутых относительнодруг друга или число тактов коммутации схемы управления.
Если отклонить ротор, находящийся внекотором фиксированном положении на некоторый угол, то магнитная проводимостьуменьшается и возникает синхронизующий момент, который будет стремитьсявозвратить ротор в прежнее положение. Количественно электромагнитный моментшагового двигателя можно представить как степень изменения сосредоточенной ввоздушном зазоре электромагнитной энергии и угла отклонения ротора отравновесного состояния:
Mm = dEm/dα [5]
Электромагнитная энергия в воздушномзазоре шагового двигателя является периодической функцией угла рассогласованияротора Em = f(αe), а связь между углом рассогласованияи геометрическим углом определяется выражением
αe = (zpα)/2(2)
где αe – уголрассогласования, α – геометрический угол. Электромагнитную энергию ввоздушном зазоре Em можно вычислить через полную магнитнуюпроводимость воздушного зазора λ. Для этого представим обмотку статора ввиде тора, имеющего разрыв в виде воздушного зазора [6]. Таким образом,выражение электромагнитного момента двигателя принимает вид:
zp dEm(αe) LmI² Фw F
Mm = – –, где Em = – Lm= – Ф = – = Fλ,
2 dαe 2 I rm
где I – ток в обмотке двигателя, Ф –магнитный поток через воздушный зазор, w – число витков в обмотке статора, F –магнитодвижущая сила управляющей обмотки статора на пару полюсов (F = wI), rm– полное магнитное сопротивление воздушного зазора, Lm –эквивалентная индуктивность воздушного зазора [7]. Таким образом, окончательно,выражение электромагнитного момента двигателя примет вид:
zp dλ
Mm = – wI² – (3)
4 dαe
Если пренебречь насыщением магнитнойсистемы двигателя и пространственными высшими гармониками в кривой магнитногополя в воздушном зазоре, то выражение магнитной проводимости зазора будет:
1 1
λ = – (λd + λq) + – (λd– λq) Cos(2αe) [2]
2 2
где λd и λq– полные магнитные проводимости воздушного зазора шагового двигателя по продольнойи поперечной осям.
Уравнение статического синхронизующегомомента шагового двигателя, полученное путём подстановки [2] в (3):
Mm = 0.25zpwI²(λd– λq) Sin(2αe) (4)
Переходя, непосредственно к конструктивнымособенностям ШД5 начнём с того, что этот шаговый двигатель являетсямногостаторным (он имеет два статора).Рис. 2. Поперечная геометрия ШД5и схемы соединения обмоток.
У многостаторного двигателя обмоткиуправления, находящиеся в разных статорах, не имеют между собой магнитнойсвязи, располагаясь в двух отдельных пакетах, смещенных относительно друг другана 2π/(zpm), рад. Размещение фазных обмоток на отдельныхпакетах статора усложняет конструкцию двигателя и увеличивает его габариты. Нозато при такой конструкции многофазного двигателя удается избежатьнагромождения множества обмоток в одном статоре.
Шестифазный редукторный шаговый двигательШД5 с симметричной магнитной системой [2] состоит из двух шихтованных статоров,которые последовательно расположены вокруг одного ротора.
Статоры сдвинуты друг относительно друга(по оси ротора) на угол 2π/(mzp) рад. В каждом статоре имеетсяшесть пазов, в которые уложены 12 сосредоточенных обмоток управления,соединяемых в двигателе, в шесть электрически не связанных фаз (рис. 3).На полюсах статора расположены мелкие зубцы. Ротор представляет собой цилиндр смелкими зубцами, причем ширина зубцов по наружному диаметру ротора равна ширинезубцов статора по расточке. Работа двигателя осуществляется следующим образом.Положим, что питание одновременно подается в две соседние фазы, например, 1 и 3.При этом магнитный поток Ф замыкается по кротчайшему пути через соседниеполюса. Ось результирующего магнитного поля ориентируется между полюсами 1 и 3,а ротор занимает положение, соответствующее максимальной проводимостивоздушного зазора, причем, относительно пары полюсов 2 – 4 положениемаксимальной проводимости между зубцами статора и ротора будет сдвинуто на 1/6зубцового деления. При снятии питания с фаз 1 и 3, и подаче его в фазы 2 и 4ось результирующего магнитного потока смещается на π/6рад., а ротор поворачивается на угол, соответствующий новому положениюмаксимальной магнитной проводимости – отрабатывает шаг. Для равномернойотработки шагов необходимо, чтобы между зубцами ротора и статора под очереднымполюсом был угловой сдвиг, равный 2π/(mzp) рад. При этомдвижение ротора осуществляется последовательным переключением фаз такимобразом, чтобы ротор при каждом переключении перемещался на один и тот же угол.1.2 Коммутация фаз в существующем приводе
В старом приводе ПШД5/80 для уменьшенияшага дискретизации применялась двенадцати – тактная схема коммутации обмоток.При этом попеременно включалось различное число фаз (две или три). С такойкоммутацией единичный угол уменьшается в два раза: α = 2π/(2mzp)рад. Для ШД5 m=6; zp=20, значит α=1.5°. При этом использоваласьследующая очередность включения обмоток двигателя:
612
61
561
56
456
4512
345
3412
234123
2312
123
12 – – – – – – –– – – –
Использование в схеме коммутации тактоводновременного включения фаз двигателя из разных статоров (соответствующиевыделены цветом на схеме) приводит к неполному использованию силовых свойствдвигателя потому, как не полностью используется объём статора. Это связано с тем,что в таких коммутациях в одном из статоров включается всегда только одна фаза.При этом магнитный поток, замыкающийся через зубцы ротора – статора в два разаменьше (пренебрегая намагниченностью стали), чем в случае коммутации двух,соседних в статоре, обмоток. Связано это с тем, что при коммутации двух фаз изразных статоров магнитный поток не может замкнуться через обе фазы сразу (ввидуобразования длинных силовых линий). Поэтому, возникает несколько потоков вкаждом из статоров, которые замыкаются через соседние невозбужденные обмотки встаторе. Понижение магнитного потока приводит к уменьшению вращательногомомента ротора. Так, например, рассмотрим положения зубцов ротора – статора, вразвернутом виде, при подаче питания в фазы 1 и 2 (первый такт коммутации, рис. 5),можно вычислить площадь воздушного зазора, через которую замыкается магнитноеполе запитанных обмоток. Пренебрегая искажением силовых линий в воздушномзазоре, а также, учитывая поле только одной обмотки фазы, искомая площадьровняется 1 2/3 зубцового деления. С точностью до нашихпренебрежений, вращающий момент ротора (М) будет пропорционален площадивоздушного зазора, через которую замыкается магнитное поле подключенных обмоток(S) и магнитному потоку, замыкающемуся через этот зазор. Обозначим вращающиймомент ротора такта коммутации 12 как М0(М12 = М0).
/>
Аналогично, рассмотрев такт коммутации фаз1,2,3 (рис. 6) мы можем
вычислить S123 = 2 1/3зубцового деления. При вычислении вращающего момента следует учесть, чтомагнитный поток, а, следовательно, и вращающий момент ротора со стороны фаз 1 и3 будет в два раза больше, чем от фазы 2. Таким образом
4 5
М123 = (1 + 2―): ―М0=2.2М0.1.3 Коммутация фаз в разработанном приводе
В вычислениях предыдущего раздела былопоказано, что к.п.д. двигателя можно увеличить, устраняя такты коммутации,выделенные цветом на схеме. Но тогда шаг дискретизации шагового двигателя(минимальный угол, на который он может выполнить поворот) увеличится вдвое.Избегая такого недостатка, была разработана новая коммутационная схема, гдесоответствующие такты были заменены другими:
– –
1234
123 –
234
2345
345
34561234
456123
45611234
561123
612123
56121234
61231234 – – – – – – – – –
Таким образом, такт 12 старой схемыкоммутации, заменяется в новой схеме тактом 1234, где фазы 13 и соответственно24 включаются в одном роторе. Рассмотрим подробнее такт включения 1234 (рис. 7).
Аналогично предыдущим вычислениямполучаем: S1234 = 2 2/3 зубцового деления.
Таким образом, полезная энергия шаговогодвигателя с новой схемой коммутации возросла приблизительно на 70%. При этом задва такта стало включаться вместо пяти фаз (как в ПШД5/80) – семь. Значит,потребляемая энергия тоже возросла примерно на 40%. Но, тем не менее, к.п.д.двигателя с новой схемой включения фаз стал выше, чем со схемой существующегопривода.
Эти вычисления выполнены примерно, в видеоценки. Реально, учитывая потери на нагрев замагниченного железа, а такжеискривление силовых линий магнитного поля и потоки магнитного поля, замыкаемыене по кратчайшему пути, вычисленный результата уменьшится, и мы получим не 70%добавки, а меньше. Но, тем не менее, значимая величина добавки заставляет нас вновом приводе отказаться от старой схемы коммутации и использовать новую.
На практике, при испытании новой схемыкоммутации ШД5 в старом приводе ПШД5/80, путем запрограммирования и замены ПЗУ,двигатель быстро начинал нагреваться, в виду того, что увеличились потери,связанные с замагничиванием железа. По-этому рекомендуется длительно неиспользовать двигатель на полном токе в обмотке (3А). Тем более что различныеустройства, где используется шаговый двигатель, не требуют, при обычном режимеработы, большого силового момента двигателя. На полный ток целесообразновключать двигатель при разгоне, что позволяет сократить время на перемещение взаданную точку плоскости в устройствах ЧПУ. Переходить на более низкий ток вобмотке можно автоматически, установив на двигателе терморезистор, вводя темсамым температурный контроль. Таким образом, можно защитить двигатель отперегрева. Тем более что в режиме покоя достаточно иметь статический моментсущественно меньший динамических моментов нагрузки. Поэтому здесь тоже можноперейти на меньший ток, тем самым, снизив разогрев двигателя. Гибкость, вуправлении током в обмотке возможна, благодаря использованию, в новом приводе,новой схемы стабилизации тока в обмотке, обсуждению которой и посвящаетсяследующий раздел.
2. Управление током2.1 Управление в существующем приводе
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
В старом приводе ПШД5/80 питание обмоткидвигателя осуществлялось от источника напряжения 6 V. Такое значение напряженияпитания было выбрано из тех соображений, что максимальный ток, который можетпротечь через обмотку, не будет превышать максимального значения, определенногохарактеристикой двигателя (3 А). Но при таком питании обмотки, достижение токомэтого значения будет происходить бесконечно долго. Поэтому, для накачки тока встаром приводе использовалось высокое напряжение питания – 80 V. Принципиальнаясхема такого стабилизатора тока изображена на рисунке 8.
/>Таким образом, при подаче на фазу высокогонапряжения, ток в ней начинал быстро расти, и ограничивался суммарным активнымсопротивлением цепи, которое включало в себя сопротивление шунта (Rш=0.1 Ω), коллекторно – эмиттерные сопротивления открытых транзисторов Т1и Т2 (RТ1 = RТ2 = 1 Ω), а также, активноесопротивление самой фазы двигателя (Rф = 1 Ω.). Суммарноеактивное сопротивление этой цепи равно сумме четырех этих сопротивлений (R =3.1 Ω.). Уравнение этой цепи запишется в виде:
dI U t
L– + IR = U [8], откуда I = –(1 – exp(– –)) (5)
dt R τ
L
где τ = –.
R
I – ток в обмотке двигателя, U –напряжение питания, t – время.
На практике установлено, что ток в обмоткедвигателя достигает значения 3 А за время 300 µS, при напряжении питания фазы80 V.
Теперь мы знаем зависимость тока, вобмотке двигателя, от времени, при подаче напряжения на фазу. Далее, придостижении током значения 3 А, запирается форсажный транзистор Т2(Рис. 6.). При этом быстро открывается диод D2, и фазадвигателя переходит на 6 V питание. В дальнейшем источник напряжения 6 V замыкается на цепь: диодD2, фаза двигателя, коллектор – эмиттер насыщенного ключа Т1,шунт Rшунта (Рис. 6). Появляется переходной процесс, при переходе от 80 Vпитания к 6 V. При этом воздушный зазор, между зубцами ротора и статорапродолжает уменьшаться, потому, как ротор продолжает движение (Мы рассматриваемслучай, когда ток в обмотке достиг значения 3 А до того, как ротор принялустойчивое положение, относительно возбужденной фазы).
При этом индуктивность системы ротор –статор возрастает. Поэтому, так как процесс открывания диода длится недолго, томожно считать, что энергия, запасенная в фазе двигателя, при этом не меняется.Тогда, из закона сохранения энергии, ток в обмотке двигателя начинаетуменьшаться.
Далее, подставляя числа формулу (7),получим, что при определенных условиях, ток в обмотке двигателя может упасть дозначения I = 2.75 А. А, при подаче на двигатель напряжения 6 V, ток в фазе двигателяпрактически перестает меняться.
Таким образом, ток стабилизации в фазеПШД5/80 не задаваемый нами (3А), а некоторый другой, более низкий (можетдостигать 2.75 А), что приводит к частичной потере силовых свойств двигателя.Далее, один из недостатков этой схемы стабилизации тока то, что используетсянизковольтовый источник питания двигателя, напряжением 6 V. На низких и среднихскоростях вращения двигателя в основном этот источник и используется. Такойисточник при напряжении 6 V должен выдавать ток в трёх фазах одновременно. Вкаждой фазе ток равняется 3 А. В итоге суммарный ток, источника питания на 6 Vс трансформаторным понижением – БПШД5/80, равен 9 А. Такие источникиполучаются очень громоздкими. Использование в новом приводе только 80 V питаниясущественно упрощает источник питания.2.2 Управление в разработанном приводе
Анализируя все недостатки схемыстабилизации тока ПШД5/80, изложенные в предыдущем разделе, была разработанановая схема. Здесь питание двигателя осуществляется только от 80 V источниканапряжения. Благодаря этому мы избегаем переходного процесса переключения с 80V питания на 6 V. Также, источник питания разработанного привода становитсяпроще в изготовлении потому, как не используется силовая низковольтоваясоставляющая напряжением 6V. Принципиальная схема нового источника стабилизациитока в обмотке изображена на рисунке 10. Для управления током, здесьиспользуются два ключа, выполненные на полевых транзисторах средней мощности IRF530n, фирмы InternationalRectifier (VT1 и VT2 на рисунке). Управление этими ключами осуществляется отспециализированного драйвера IR2113, этой же фирмы. Драйвер управляетсяпрограммируемой логической матрицей EPM7128SLC84, фирмы Altera. Так в режиме наращивания тока вфазу, оба ключа VT1 и VT2 – замкнуты (транзисторы находятся в открытомсостоянии). При этом фаза двигателя оказывается включенной, через шунт R1на питание 80 V. Как известно из предыдущего раздела, ток в фазе, при этом,начинает быстро возрастать. При этом значение тока мы отслеживаем по падениюнапряжения на шунте R1, вводя обратную связь, с него, на логическуюматрицу. При достижении током заданной величины, происходит размыканиефорсажного ключа (запирается транзистор VT1). Таким образом, фаза двигателяоказывается, замкнута через цепь, включающую диод D1, шунты R1 и R2,а также, транзистор VT2. В этой цепи имеется малое активное сопротивление:
Rа = R1+ R2 + RD1 + Rф + RVT2,
где R1 = R2 = 0.1 Ω,Rф = 1 Ω – активное сопротивление фазы двигателя. В даннойсхеме в качестве диодов использовались диоды Шотки – 50QS100, ввиду малоговремени восстановления, а в качестве транзисторов – IRF530n, ввиду малогосопротивления стока – истока в открытом состоянии. Их параметры: RD1= 0.1 Ω – активное сопротивление диода D1, RVT2 = 0.1 Ω –сопротивление стока – истока открытого полевого транзистора. Таким образом, Rа= 1.4 Ω.
Используя такую стабилизацию тока, мыможем поддерживать не только 3 А в фазе двигателя, но и любой другой,прграммируемый нами ток. Это основное отличие новой схемы стабилизации тока.Ведь в существующем приводе можно было поддерживать ток в обмотке равный только3А. Таким образом, появилась возможность управлять током в фазе не в видеквазипрямоугольной зависимости, от времени, как в ПШД5/80, а в видезапрограммированной в логической матрице, зависимости. В разработанном приводебыла выбрана трапецеидальная зависимость из – за простоты реализации. То есть,если режим накачки тока в обмотке мы разобьём на n тактов, в каждом из которыхток у нас сначала будет возрастать на I0 / n, от предыдущегозначения, а далее, стабилизироваться на этом значении. За n тактов ток вобмотке вырастет до значения I0, по квазилинейной зависимости от времени.Понятно, что чем ни больше n, тем наша зависимость сильнее приближаемся клинейной. Крутизной этой зависимости можно управлять, меняя частоту тактов.Аналогично получается квазилинейная зависимость снижения тока в обмотке, разбивна n тактов, в каждом из которых ток снижается на I0/ n, отпредыдущего значения, и далее, стабилизируется до окончания такта. Используяодинаковое число тактов, при нарастании и спаде тока, мы выполняем управлениетоком в фазе по равнобокой трапецеидальной зависимости. Такое управлениепозволяет выполнить поворот ротора двигателя более плавно. В старом приводе,при подаче в фазу двигателя квазипрямоугольного тока, ротор совершал рывок, ипри этом он мог перескочить, по инерции, на следующее устойчивое положение, поотношению к зубцам статора, и вернуться обратно. Вследствие этого, при малыхнагрузках, наблюдался колебательный вид отработки шага. Поэтому, в старомприводе применялось механическое демпфирование для гашения рывков ротора,которое представляло собой добавление механической нагрузки на ротор в видетрения. Использование такого демпфера приводило к ухудшению динамическихпараметров двигателя (из – за большего момента инерции ротора). В нашем жеслучае, рывок ротора разбивается на n, разнесённых во времен рывков, самплитудой в n раз меньшей. Таким образом, подобрав соответствующее n, исходяиз характеристик системы, для которой применяется шаговый двигатель, мы можемотказаться от механического демпфера, тем самым, повысив старт – стопныепараметры двигателя.
Схема трапецеидального управления током, вфазе двигателя, была смоделирована на компьютере, с помощью программынелинейного моделирования Nl. Результат этого моделирования приведён на рисунке11. Здесь скорость вращения ротора пропорциональна частоте генератораимпульсов, потому как период этого генератора равен времени отработки тактаувеличения (уменьшения или стабилизации) тока в фазе.
Включение форсажного и удерживающегоключей разнесено во времени. Сделано это потому что, например, в ситуацииодновременного открывания форсажного ключа и запирания удерживающего привело быв неопределённость определения тока логическим управлением привода. Так,например, удерживающий ключ размыкается по спадающему фронту импульсагенератора, а форсажный замыкается по нарастающему.
Основным преимуществом новой схемыуправления током в фазе является то, что появляется возможность выполнитьдробление шага двигателя. То есть, если мы рассмотрим зависимости токов отвремени, во всех шести фазах сразу, и выберем некоторый момент времени τ,и зафиксируем токи в фазах такими, как показано на рисунке, то мы остановимротор двигателя в положении, не кратном шагу дискретизации двигателя. То есть,если со старым приводом ПШД5/80 минимальный угол, на который мог совершитьповорот ротор ШД5 – го, составлял 3/2 º, то притаком фиксировании токов мы можем остановить ротор в положении 3/4 º, 3/8º, в зависимости от степени дробления шага. Появление возможности, выполнитьдробление шага, связано с тем, что новая схема управления током в фазедвигателя может стабилизировать любой (в рамках разумного) ток, а не только 3А, как в ПШД5/80. Как видно на рисунке 12, в фазах 1 и 3 токи не равны ни 0 А,ни 3 А. При этом устойчивое положение ротора будет не посередине зубцовыхделений, как просто при включении фаз 4 – 5 – 6, а будет отставать, от этогоположения на 3/8 º, ввиду того, чторотор ещё тянут к себе фаза 1, с моментом ¾, от максимально –возможного, а также фаза 3 с моментом ¼.
В новом приводе будет использоватьсядробление шага на четыре. В связи с этим, точность отработки угла улучшена вчетыре раза. Тем более что динамические характеристики, при этом, хуже нестали. Ведь максимальная скорость, с которой может вращаться ротор,определяется скоростью нарастания тока в фазе двигателя, которая, в своюочередь, определяется напряжением питания фазы (скорость пропорциональнанапряжению). При переходе к предельной скорости вращения, силовой момент ротораначинает снижаться из – за того, что ток в фазе не успевает нарастать. Ясно,что предельная скорость вращения будет определяться суммарным временемнарастания и спада тока в фазе двигателя. Таким образом, максимальнуюциклическую частоту вращения ротора можно определить, как
2π 2π τ
ωmax = – (9), где Тmin = – Тшага.min; Тшага.min = –.
Тmin α0 k
Тmin – минимальное время, за которое роторуспевает выполнить один оборот, вокруг своей оси, без потери шага. Тшага.min –минимальное время, за которое ротор успевает выполнить поворот на угол α0= 1.5 °. Нетрудно заметить, что Тшага.min пропорционально минимальному временивключения питания, на фазу двигателя – τ, при котором ток успеваетвозрасти до максимально – программируемого значения – 3 А. Отношение числатактов, при которых фаза находится под напряжением, к общему числу тактов,приходящихся на один период шага двигателя – k (определяется из схемыкоммутации); τ ровно времени нарастания тока, от 0 А до значения 3 А, плюсвремени спада тока, от 3 А до 0 А. Значит, зная τ и k, мы можемвычислить ωmax по формуле:
kα0 α0 k
ωmax = –, a fmax= – – (10)
τ 2π τ
Формула получена путём подстановок Тmin иТшага.min в формулу (9). Старая схема коммутации фаз двигателя (в приводеПШД5/80) отличается от новой (в рассматриваем приводе) именно величиной k. Такдля старой схемы: (12 – 123 – 23 – 234 – 34 – 345 – 45 – 456 – 56 – 561 – 61 –612) – kпшд5/80 = 5 / 12 (видно, что любая из фаз включается 5 раз за весьпериод, равный 12 – и включениям); в новой – knew = 18 / 24 (определяется порисунку 12). Таким образом, в новом приводе максимальная скорость (частота)вращения ротора двигателя возрастает на 80%, по сравнению со старым приводом(оценка получена из формулы 10).
3. Схема разработанного электропривода
двигатель привод ток управление
Разработанный электропривод для шаговогодвигателя ШД5, как уже ранее было сказано, имеет шесть силовых каналов дляуправления шестью фазами двигателя, а также логику управления (смотретьрисунок). В каждом силовом канале имеется два ключа – форсажный и удерживающий,как было сказано в предыдущем разделе. В этом разделе мы не станемостанавливаться на этих ключах, а рассмотрим работу привода в целом.
Для отработки двигателем заданного угла,на привод приходят генераторные импульсы от ЭВМ. Так, например, подавая импульсна вход St + (см. рис. 13) программируемой логической матрицы, двигательосуществляет поворот по часовой стрелки на угол 1.5° / 4, то есть отрабатываетодин шаг вправо. Соответственно при подаче импульса на вход St – двигательотработает шаг влево (поворот против часовой стрелки). Ещё одна разновидностьсигналов, поступающих на логику привода от сопряжённых с ним устройств – этосигнал запрета перемещения вправо – К+ (влево – К –). Сделано это для того,чтобы если в процессе перемещения устройство, в котором используется ШД5,приблизилось к своему крайнему положению, выполнить плавное торможение иизбежать дальнейших перемещений в этом направлении. Также на логике имеются тривхода от джамперов J1, J2, J3 которые позволяют выбирать разные значения токов,протекающих в обмотках двигателя. Далее имеется логический выход на ЭВМ,который соответствует сигналу окончания работы привода – OKOUT (при длительномотсутствии сигналов управления). На плате привода расположен генератор,собранный на кварцевом кристалле. Импульсы генератора поступают на вход GENлогики (требование логической матрицы). Далее на плате расположена шина программированияматрицы от ЭВМ. Программирование осуществляется по четырём входам: TCK, TDO,TMS, TDI.
Далее рассмотрим режим управления силовымиканалами. Так, например, при поступлении команды ЭВМ выполнить шаг, ПЗУ логикиопределяет необходимые токи в фазах двигателя, для отработки шага двигателем, всоответствии со схемой коммутации. Далее логическая матрица, управляя четырьмявходами в каждом канале, устанавливает нужные токи в фазах. Как это происходит,рассмотрим на примере общения матрицы с отдельно – выделенным каналом. Так,например, значение нужного тока данной фазы передаётся от матрицы к каналу ввиде ШИМ – сигнала на вход NOM. Получив и расшифровав этот сигнал, каналсравнивает его с токами на шунтах форсажного и удерживающего транзисторов спомощью компараторов. Результат этого сравнения (логический нуль или единица, взависимости от того меньше реальный ток программируемого или больше) поступаетна логическую матрицу с выходов канала OFL. Нечётные номера OFL соответствуютсигналам с шунта форсажного транзистора. Чётные – соответствуют удерживающему.В зависимости от этих сигналов обратной связи, логическая матрица производитуправление транзисторными ключами. Так сигнал открывания форсажного транзистораподаётся на вход канала HIN. Сигнал открывания удерживающего транзистораподаётся на вход LIN. А сигнал запирания обоих транзисторов – SD.
4. Силовая частьразработанного привода
В качестве форсажного и удерживающегоключей в новом приводе используются полевые транзисторы IRF530n. Этитранзисторы отличаются хорошими динамическими характеристиками.
td (on) = 6.4nS, td(off) = 37 nS, tr = 27 nS, tf = 25 nS. [3]
Пользуясь этими данными, вычислиммаксимальную среднюю мощность, выделяющуюся на транзисторе в виде тепла. Дляначала вычислим мощность, выделяющуюся на форсажном транзисторе при накачкетока в фазу двигателя. Режим накачки разбивается на 20 тактов (смотреть рис. 11).В каждом такте ток возрастает на величину (3/20) А. Таким образом:
UDS = U0 – kUt; IDSi= I0i + kIt,
где UDS – напряжение, взависимости от времени, на стоке истоке; U0– напряжение на стокеистоке вначале такта (U0= 80 V); IDSi – ток истока, взависимости от времени, в i – й такт коммутации; I0i – начальный токистока, в i – й такт коммутации; kU – коэффициент линейного убываниянапряжения на стоке – истоке полевого транзистора; kI – коэффициентлинейного возрастания тока истока.
(IDS меняется от 0 А до 3 А за 300 mS; UDS меняется от 80 Vдо 0 V за время t = 27 nS, в каждом такте). Начальный ток истока, в i –м такте коммутации можно определить, как:
I0i = ki, где k = 3A/20.
Теперь вычислим тепловые потери нафорсажном транзисторе, при открывании в i – м такте, в режименакачки тока:
t
Qфноi = ∫ UDIDSidt [9]
Полные тепловые потери, на форсажномтранзисторе, при накачке тока в фазу двигателя, при открывании:
19
Qфно = ∑ Qфноi = 20C1+ 190C2 (11)
i=0
где С1, С2 – естьнекоторые константы вычислений:
С1 = τ²kI(U0/2– kUτ /3) C2 = kτ(U0– kUτ/2)
Подставляя цифры, получим, что С2»С1 (больше на 5 порядков). Это связано с тем, что ток в фазе завремя τ практически не успевает измениться, а значит этими изменениямиможно пренебречь. Окончательно:
τ
Qфно = 190kτ(U0– kU–) (12)
2
Таким образом, Qфно = 30.8 µJ. Энергия,выделяющаяся на форсажном транзисторе при запирании, в режиме накачки тока вфазу двигателя, может быть вычислена по той же формуле (11): (только в качествеτ надо взять уже не tr = 27 nS, а tf = 25 nS – рис. 14)Qфнз = 28.5 µJ. Тогда среднюю мощность тепловых потерь на переключениефорсажного транзистора, при накачке тока в фазу двигателя можно вычислить, как:
Рсрфн = (Qфно + Qфнз)/300 µS
(потому, как накачка тока в фазу длится300 µS, без стабилизации тока). Тогда получим: Рсрфн = 0.2 W (Ватт). Как видноиз рис. 11, в режиме стабилизации тока форсажный транзистор включаетсяреже, чем при накачке. Таким образом, здесь необходимо учитывать статистическиепотери на транзисторе, которые появляются при наличии сопротивления стока –истока у насыщенного транзистора:
RDS(on) = 0.11 Среднюю мощность этих потерь можно вычислить, как:
Рсрн = I0²RDS(on)
где I0 = 3А. Значит Рсрн = 0.99 W.Таким образом, эта мощность является преобладающей, по сравнению со средне –максимальной мощностью потерь на форсажном транзисторе, при накачке (и подкачкев режиме стабилизации тока) тока в фазу двигателя. Именно она и будет вноситьосновной вклад в нагрев транзистора. Более строго, тепловые потери на форсажномтранзисторе, за один такт работы ШИМа,будут складываться из потерь на открывание, запирание и нагрева сопротивления RDS(on)полевого транзистора. Окончательно можно сказать, что максимальная средняямощность, которая может выделиться на форсажном транзисторе:
Pmax.ср. Ф = 1.19 W.
Pmax.ср. Ф = Рсрн + Рсрфн
Удерживающий ключ в основном находится внасыщенном состоянии. Поэтому среди его тепловых потерь будет преобладатьмощность Рсрн = 0.99 W. Лишь в режиме спада тока в фазе двигателя мощностьпотерь на нём станет, как на форсажном транзисторе. Таким образом, максимальнаясредняя мощность, которая может выделиться на удерживающем транзисторе: Pmax.ср.У = 1.19 W.
Реально, эти потери будут меньше, ввидуплавного управления вращением двигателя. Так, например такие потери нафорсажном транзисторе появляются в режиме максимально – быстром возрастаниитока в фазе, и далее длительной стабилизации его значения. На удерживающемтранзисторе, после режима длительной стабилизации, следует резкий спад тока.Ясно, что на практике, даже на предельной скорости вращения двигателя, а такжепри разгоне и торможении, потери на транзисторах будут меньше. Но этот расчётпоказывает, что транзисторы в новом приводе, в процессе своей работы, возможнодаже не требуют использования охлаждающих радиаторов. Это существенный моментпотому, как в старом приводе ПШД5/80 использовались биполярные транзисторы,которые в процессе работы сильно грелись. Поэтому в старых приводах дляохлаждения транзисторных радиаторов использовались вентиляторы. Но потому, какэти приводы зачастую приходилось применять в пыльных помещениях, товентиляторы, являющиеся источниками разнесения пыли, часто выводили из строяэлектронику. Поэтому разработанный привод, отличается от существующего большейнадёжностью в эксплуатации.
Также хотелось бы отметить, чтоиспользование в разработанном приводе нового монтажа, а также программируемойлогической матрицы, позволило трассировать печатную плату, этого привода,размерами, почти в два раза меньшими, по сравнению со старой. Первый опытныйобразец решено было выполнить в старом блоке, стандарта ВИШНЯ. Сделано это длясовместимости с существующими электроприводами. Источник питания, для начала,оставлен тот же самый, хотя разработанный привод не требует силового питания на6 V, как было замечено ранее. В перспективе предполагается изготовить новыйблок привода со специальным источником питания, отвечающем требуемым параметрампривода. А пока можно перейти на разработанный привод, в установках ЧПУ, путёмпростой перестановочной замены блока ПШД5/80, новым блоком.
Заключение
Как было сказано ранее, шаговый двигательШД5 нашёл широкое применение в устройствах ЧПУ. Важными параметрами двигателя,в этих установках, являются динамические характеристики и точность отработкишага [12]. Современное развитие ЧПУ требует использования двигателей с лучшимихарактеристиками. Казалось бы, можно просто заменить ШД5 другим, болееподходящим шаговым двигателем. Но широкое применение ШД5 в ИЯФе и впромышленности сильно усложняет процесс замены. Более простое решениепредлагается в данной работе. Смысл его заключается в значительном улучшениихарактеристик имеющегося двигателя за счёт модернизации его электропривода.Такое решение показало неплохой результат.
Так, например, у ШД5 управляемого отмодернизированного электропривода, увеличились динамические возможности, засчёт изменения схемы коммутации. Благодаря использованию новых электронныхкомпонент, удалось уменьшить шаг дискретизации двигателя, а также отказаться отдемпфирования. При этом значительно уменьшились массогабаритные свойствапривода, а также возросла надёжность работы его силовой части.
Все эти изменения, в разработанномприводе, позволяют без осложнения внедрить его в промышленность. Как былосказано ранее, разработанный привод совместим по конструктивному исполнению, ивставляется взамен существующих без переделок аппаратного и программногообеспечения. Сейчас смонтирован первый экспериментальный образец, ведётся егоналадка. Далее предполагается изготовить первую опытную партию.
Список литературы
1. Журнал Chip news. №1(34), 1999 г. «Цифровое управление электроприводом». Специальный выпуск.
2. В.Ф. Гумен, Т.В. Калининская.«Следящий шаговый двигатель». Издательство «Энергия», г. Новосибирск, 1980 г.
3. Описание полевоготранзистора IRF530n.
www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf530n.pdf
4. Кенио Т. «Шаговыедвигатели и их микропроцессорные системы управления». Издательство «Мир»,
5. М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский«Электрические машины». Издательство «Энергия», г. Москва, 1964 г.
6. И.Н. Мешков, Б.В. Чириков«Электромагнитное поле». Часть 1. Издательство «Наука», г. Новосибирск, 1987 г.
7. Б.М. Яворский «Справочникпо физике». Издательство «Наука», г. Москва, 1985 г.
8. Г.И. Атабеков «Основытеории цепей». Издательство «Энергия», г. Москва, 1969 г.
9. П. Хорвиц, У. Хилл«Искуство схемотехники». Том 1, Издательство «Мир», г. Москва, 1983 г.
10. Диссертация С.В. Кротова«Автоматизированный комплекс для проектирования и производства радиоэлектроннойаппаратуры ускорительно – накопительных установок». Новосибирск – 1987 г.
11. И.П. Копылов,Б.К. Клоков «Справочник по электрическим машинам». Издательство «Энергоатомиздат», г. Москва,1989 г.
12. А.Ф. Серов,С.В. Кротов «Распределённая интерактивная система проектированияисследовательского радиоэлектронного оборудования». Новосибирск, 1988 г.