книги / Основы автоматики
..pdfчен двигатели синхронного типа. Но предельная частота, при ко торой они еще надежно срабатывают на каждый импульс, меньше и не превосходит 75 импульсов в оекунду у самых лучших образцов. За очет более сложной кинематики надежность и срок службы у шаговых двигателей релейного типа ниже. Обычно срок службы их ограничивается несколькими сотнями тысяч импульсов.
В динамическом отношении шаговые двигатели можно считать идеальными интегрирующими (суммирушцими) элементами, если за входную величину принимать частоту следования импульсов, а за выходную - угол поворота вала двигателя. Так, например, если в акселерометре выходной сигнал выводится в виде импульсов, частота следования которых пропорциональна ускорению, то угол поворота шагового двигателя, питаемого этими импульсами,будет пропорционален скорости,т.е. интегралу от ускорения.
Таким образом, при достаточно малом шаге дискретности при ближенно передаточная функция шагового двигателя может быть записана в виде
_ Мр) |
к |
|
|
W^ P ] ~ l H p r J |
(5.19) |
||
Здесь N( р ) и А (р ) - изображение |
по Лаплаоу соответственно |
||
от функций скорости следования импуль |
|||
са /?(t |
) и угла |
поворота вала двига |
|
теля d |
( t ); |
|
|
к- коэффициент передачи, численно равный углу поворота вала на один импульс.
Существенным достоинством шаговых двигателей является воз можность осуществления с их помощью программных поворотов ис полнительных механизмов на строго фиксированный угол без кон троля этого поворота жеоткой обратной связью. Иногда это су щественно облегчает построение системы. Однако после всякого сбоя питания устройство должно быть возвращено в исходное по ложение.
Для питания шаговых двигателей требуются генераторы импуль сов с малым выходным сопротивлением и достаточно большой (5 - 10 вт) выходной мощностью. Для этой цели используются реле и транзисторные усилители, работающие в ключевом режиме.
Шаговые искатели по принципу действия ничем не отличаются от шаговых двигателей релейного типа. Отличие состоит лишь в том, что на валу, связанном с зубчатым колесом, устанавливается
неовохьво рядов токосъемных щеток (по 2 - 3 в каадом ряду). При подаче импульсов на обмотку электромагнита щетки переме щаются с ламели на ламель контактных полей* выполненных в ви де секторов, закрепленных концентрично о валом. При этом про исходит поочередная коммутация электричеоких цепей, соединен ных с контактами. Шаговые искатели могут иметь до 200 контак тов и, оледовательно, распределять сигналы в такое хе количе ство цепей.
§ 5 .5 . МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Наиболее оущеотвенными требованиями, предъявляемыми к элек трическим двигателям оиотен автоматического управления, явля ются большая вратнооть регулирования, значительный пуоковой момент и малая инерционность. Поэтому при конструировании си стемы отремятоя удовлетворить именно этим требованиям.
Наиболее эффективными средствами увеличения кратности ре
гулирования являются применение для управления двигателями уси
лителей с достаточным запасом выходной мощности и большим ко
эффициентом усиления по напряжению, а также охват цепи управ
ления двигателя гибкой обратной связью с большим коэффициен
том усиления. В последнем случае вал электродвигателя сочле
няется с тахогенератором. При вращении якоря тахогенератора
Рис.5.13. Елок-охема интегрирующего привода с тахометрической обратной овязью
на его выходе генерируется пропорциональная скорости вращения электродвижущая оила, которая подается на вход уоилителя и сравнивается о поступающим туда же напряжением управления
(рио.5.13). Усилитель имеет большой (несколько тысяч) коэффи циент уоилекия по напряжению и достаточную выходную мощность. Даже при очень незначительном отклонении окорооти вращения ро тора от веданной усиленная в тысячи раз разно^ь напряжения управления и з .д .с . тахогенератора форсированно "подтягивает" окорооть двигателя по заданной.
Такая сиотема называется и н т е г р и р у ю щ и м |
п р и |
|
в о д о м |
и может иметь кратность регулирования составляю |
щую неокольво тыояч. В хорошо отрегулированных интегрирующих приводах устойчивое вращение якоря достигается при скорооти 2 - 3 об/мии, в то время как двигатель без тахометричеокой об
ратной связи уотойчиво вращается при нагрузке оо окороотьв неокодько оот оборотов в минуту. Наиболее чаото интегрирующий привод ооздаетоя о асинхронными двухфазными двигателями и та - хогевератораии, а также о полупроводниковыми уоилителями.
Отрицательная обратная связь также уменьшает и инерцион ность привода, делая его практически идеальным интегрирующим звеном.
В оистемах, где требуются увеличенные пусковые моменты, применяются форсированные режимы работы в момент пуска или повышенной нагрузки.Эго обеспечивается автоматическим шунтиро ванием добавочных сопротивлений, вследствие чего при пуоке в цепь управления злектродвигателем подводится напряжение,превышавдее номинальное. После уменьшения нагрузки до номиналь
ной величины добавочные сопротивления отключаютоя и форсиро вание прекращается.
Для згой же цели в качеотве исполнительных элементов ис пользуют двигатели постоянного тока со смешанным возбуждени ем (независимым и последовательным). Последовательная обмот ка возбуждения обеспечивает большой пусковой момент, а при малых нагрузках очень мало влияет на работу двигателя.
6 двухфазных асинхронных двигателях о целью увеличения пускового момента обмотка управления выполняется из двух сек ций. При пуске зти обмотки включаютоя параллельно и обеспечи вают большой пусковой момент. При малых нагрузках они вклю чаютоя последовательно, чем достигается увеличение кратноотн регулирования.
I . Типы гидравлических и пневматических исполнительных
УОТРОЙОТВ
В системах автоматического управления в качеотве исполнительных устройств наряду о электродвигателями широко применяют ся гидравлические и пневматические двигатели.
Различают исполнительные двигатели поступательного и вра щательного движений.
Исполнительные двигатели поступательного движения могут быть двойного и одностороннего действия. В первом случае
1 У У' |
||1 |
|
|
= |
JL |
|
|
|
|
|
|
Рис.5 .1 4 .Исполни |
Рис.5 .1 5 .Исполни |
||
тельный двигатель |
тельный двигатель |
||
поступательного |
поступательного |
||
движения двойного |
движения |
односто |
|
дейотвия: |
роннего дейотвия: |
||
I - цилиндр; 2 - |
I - цилиндр; 2 - |
||
поршень со |
штоком |
поршень |
оо штоком; |
|
|
3 - |
пружина |
Рио.5 .I 6.Исполнитель ный двигатель враща тельного движения:
I - цилиндр; 2 - пор шень; 3 - кривошипно шатунная передача
(рис.5.14) подвижные элементы исполнительного двигателя при прямом и обратном ходах перемещаются силой давления рабочей жидкости или газа. Во втором олучае (рис.5.15) подвижные де тали перемещаются в одну из оторон усилием пружины. Подвижные элементы исполнительных устройотв выполняются обычно в виде поршня.
Исполнительные двигатели вращательного движения представ ляют собой устройство двойного дейотвия с углом поворота мень ше 360°. Поворот выходного вала достигается преобразованием поступательного движения поршня во вращательное при помощи ша туна и кривошипа (рис.5 .1 6 ). Имеются также гидродвигатели с неограниченным углом поворота выходного вала.
Гидравлические и пневматические двигатели обычно управля
в*ся специальным устройством - переменным дросселем. В каче стве дросселей используется золотниковые пары, усилители типц "сопло-заслонка" и струйные трубки.
2 . При нци п дейотвия и передаточные Функци и гидравлических двигателей
На рио.5.17 изображена принципиальная схема гидравличе ского исполнительного двигателя двойного действия с золотни
ковым управлением. В |
среднее |
отверстие |
золотника |
поступает |
||||||||||||
рабочая жидкооть с давлением Рр . При |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
смещении золотниковой |
пары от |
средне |
|
|
|
р |
|
Р |
|
|||||||
го положения рабочая жидкооть начинает |
|
|
CJI |
|
Р |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
поступать в одну из полостей гидроци |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
линдра (рис.5.17 - в левую), и поршень |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
будет перемещаться вместе со штоком. |
|
|
|
|
|
|
2 |
|||||||||
При этом из второй |
полооти |
рабочая |
|
, г ___ |
■ |
|||||||||||
жидкость выдавливается |
через |
сливное |
|
х |
||||||||||||
отверотие |
золотника. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
---1 |
|
|||
|
Особенность рассматриваемой |
схемы |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
состоит в том, что силовая (номентная) |
Рис.5 .17 .Исполнитель |
|||||||||||||||
характеристика гидродвигателя |
о золот |
ный двигатель посту |
||||||||||||||
ником близка к релейной. Действитель |
|
пательного движения |
||||||||||||||
|
с золотниковым управ |
|||||||||||||||
но, без учета утечек и перекрытия при |
|
|
|
лением: |
|
|||||||||||
любом малом перемещении золотниковой |
|
1 - |
цилиндр с поршнем |
|||||||||||||
пары движущая |
статическая |
сила |
на |
|
2 - |
золотниковое уст |
||||||||||
|
ройство |
с поршнями |
||||||||||||||
штоке |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Fd = |
Щ ~ Р Сл )=$пЬР, |
|
|
|
(5.20) |
|||||||
где |
S„ - |
эффективная площадь поршня; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Рр - давление на сливе; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Рся - давление внешнего источника рабочей жидкооти. |
|
||||||||||||||
|
На рис.5.18 |
показана зависимость |
ДР и |
Fg |
от перемеще |
|||||||||||
ния |
золотника |
h |
без |
учета |
зоны нечувствительности. |
|
||||||||||
|
Движению |
поршня |
(штока) |
противодействуют |
инерционная |
си |
||||||||||
ла, оила вязкого трения Ff |
, |
пропорциональная |
скорости пере |
|||||||||||||
мещения х |
сила |
позиционной |
нагрузки |
Fn , пропорциональная |
£ |
|||||||||||
а также сила |
сопротивления |
Fc , |
не зависящая |
|
от |
х |
|
|
На основании второго закона Ньютона можно напиоать:
|
|
|
|
|
|
|
|
(5 -21> |
где |
т |
- приведенная масса движущихоя частей; |
|
|||||
кй и кп- коэффициенты пропорциональности. |
|
|||||||
|
|
|
Уравнениям (5.20) и (5.21) соответствует |
|||||
|
* P .y S n |
отруктурная |
схема, |
показанная на рис.5.19. |
||||
|
Движущая сила F0 должна превышать оилу |
|||||||
|
|
|
||||||
|
|
h |
сопротивления Fc : |
|
|
|
||
|
|
|
Кроме того, |
сиотему |
|
проектируют так, |
что |
|
Рис.5.18. Зави |
|
|
|
|
|
|
||
симость |
перепа |
|
|
Fd>knx + Fc |
(5.22) |
|||
да давления и |
|
|
||||||
движущей силы |
при любом возможном |
|
X . |
|
||||
от перемещения |
|
|
||||||
золотника |
Если указанные условия соблюдены, харак |
|||||||
|
|
|
||||||
тер движения поршня (штока) |
при смещении золотниковой |
пары |
||||||
( h Ф 0) |
будет следующим: скорооть движения поршня увеличива |
|||||||
ется |
до |
тех пор, пока сила вязкого трения не достигнет величи |
||||||
ны х |
, |
при которой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F - F - к х - к, х = 0 |
(5.23) |
||||
|
|
|
'о |
с |
n |
I |
уст |
|
Рис.5.19. Структурная охема гидродвигателя
Пренебрегая к х , получим
(5 .24)
Рио.5.20. Структурная охека гидродвигателя двойного дейотвия
|
На рис.5.20 показана упрощенная отруктурная охека гидро- |
||||||
Двигателя. |
|
|
|
|
|
||
|
Недостатком рассмотренной охемы гидродвигателя является |
||||||
независимость |
скорооти движения выходного штока от величины |
||||||
управляющего воздействия h . |
|
||||||
На практике применяются гид- |
|
||||||
родвигатеяв о пропорциональ |
ем |
||||||
ным регулированием скорооти |
|
||||||
(ри с.5 .21). Роль управляюще |
|
||||||
го |
сигнала |
здеоь |
выполняет |
|
|||
угол |
поворота |
d |
коромыола, |
|
|||
связанного |
о поршнями золот |
|
|||||
ника. При |
оС а |
0 поршня зо |
|
||||
лотника одинаково |
перекрывают |
|
|||||
отверотия |
I и 2, |
в |
полоотях |
|
|||
гидроцилиндра давления pt и |
|
||||||
рг |
равны и движение поршня |
|
|||||
не |
происходит. |
|
коромыола |
Рио.5.21. Гидродвигатель с про |
|||
|
При повороте |
порциональным регулированием |
|||||
( $ f |
0) одно из дросоельных |
скорости перемещения поршня |
отверстий прикрывается, другое - приоткрывается. Воледотвие этого изменяются гидравлические сопротивления дроссельных от верстий, образуется перепад давления на рабочем поршне и про исходит его перемещение. С помощью кривошипно-шатунного меха низма это перемещение преобразуется во вращательное движение
выходного |
|
вала ( 6 j< 0). |
Для данной схемы можно приближенно считать, что перепад |
||
давления |
в |
цилиндре пропорционален углу d : |
|
|
< 5 - 2 5 > |
Зависимость (5.25) справедлива только для определенных |
||
углов d |
, |
не превышающих d K . При d z d K АР не увеличива |
Рис.5.22. Зависимость пе репада давления от угла поворота короыасла
ется, так как одно дроссельное от верстие полностью закрыто, а дру гое - открыто. На рис.5.22 пока зана типичная зависимость ДР от d без учета зоны нечувствитель ности. Максимальное значение ДР определяется в основном величиной давления Рр , пропорционального мощности гидронаоооа.
Аналогично предыдущему соста вим уравнение движения поршня.По скольку выходом гидродвигателя являетоя угол поворота 8 , то уравнение моментов примет вид
‘ |
- к , $ - К» - |
(5.26) |
где Зпр - приведенный момент инерции подвижных чаотей. Физи ческий смысл других членов уравнения тот же, что и в соотно шении (5 .21). Зависимость момента Мд от угла d имеет такой же вид, как ДР от d (рис.5 .22). Структурная схема гидро двигателя изображена на рис.5.23.
Рис.5.23. Структурная охема гидродвигателя с пропорциональным регулированием окорооти перемещения поршня
Определим передаточную функцию гидродвигателя в предполо жении, что d < d H .
Для этого перепишем уравнение (5.26) в виде |
|
|
||
Опо d26 |
A |
" + , - |
МС |
(5.27) |
|
к„ |
dt |
|
|
Из уравнения (5.27) находим
к |
(5.28) |
Ткрг + 1%Тр +1
гд е
Боли по условиям работы гидро-
|
Рис.5 .24 .Скоростная ха |
Г = |
рактеристика гидродви |
гателя с пропорциональ |
|
|
|
|
ным регулированием ско |
|
|
|
|
рости перемещения поршня |
Установившееся |
значение скорости в |
этом одучае будет |
||
|
|
|
tk |
(5.30) |
|
|
|
*6 |
|
На рис.5.24 показана зависимость <Уус/п от d , определяемая |
||||
уравнением |
(5 .30). На графике учтено |
также ограничение момен |
||
та Мд при |
d ь dK |
Эта зависимость |
называется скоростной |
характеристикой гидродвигателя.
В электрических системах управления перемещение поршней зо лотника ( h или d ) осуществляется обычно электромагнитным уз лом управления. Часто узел управления и гидродвигатель выпол няются в одном конструктивном блоке, называемом электрогидравлической машиной. Электрогидравлические машины автономного пи
тания содержат также насоо для |
создания давления |
рабочей |
|
жидкости. |
|
|
|
|
Если пренебречь переходники процессами в узле управления, |
||
то |
передаточная функция машины как отношение изображения Sip) |
||
к |
изображению тока управления |
р ) аналогична |
полученной |
передаточной функции двигателя о дросселем. Скороотная харак теристика машины снимается в функции тока управления и имеет такой же вид (рис.5 .24).
3. Особенности пневматических исполнительных двигателей
Как ухе указывалось, пневматические исполнительные двига тели строятся по такой же схеме, как и гидравлические. Они также содержат оиловой цилиндр с поршнем и дроссельное уотройотво. Уравнения движения пневмодвигателей аналогичны, по этому здесь нет необходимости их рассматривать. Имеются толь ко некоторые отличия в уравнении расхода, т .е . в зависимости перепада давления ДР в цилиндре от перемещения поршней золот ника ( h ): характер нарастания давления в пневмосистеме не сколько другой, чем в гидрооистеме, что объясняется в основ ном сжимаемостью газа. Однако ранее не учитывались переход ные процессы в магистрали "золотник-полость цилиндра", а по
лагалось, что ДР |
пропорционально о ( ( Л) . Указанная линей |
ная зависимость между установившимся значением ДР и величи |
|
ной смещения поршней |
золотником сохраняется и в пневматиче |
ских исполнительных устройствах.
Пневмодвигатеяи могут работать на ожатом воздухе, на газе низкого давления (100 - 150 н/см^), а также на горячем газе высокого давления (1500 - 2000 н/м^). В качестве горячего га за высокого давления можно использовать отработанные газы ре активного двигателя или газы специального газогенератора.
4. Достоинства и недостатки пневматических и гидравлических двигателей
Отметим следующие |
основные достоинства |
гидравлических и |
||||
пневматических устройств. |
|
|
|
|
||
I . |
В о з м о ж н о с т ь |
п о л у ч е н и я |
б о л ь |
|||
ш и х |
м о м е н т о в |
и |
у с и л и й |
при компактной и |
||
малогабаритной конструкции. |
Для |
примера можно сравнить |
три |