Исследование принципа действия вентильно-импульсного двигателя, его системы управления и способов контроля его работы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Робототехники и автоматизации производственных систем

отчет

по производственной практике

Тема: «Исследование принципа действия вентильно-импульсного двигателя, его системы управления и способов контроля его работы»

Студент

Абдуллин Д.Ш.

Санкт-Петербург 2017

Аннотация

В ходе прохождения практики были поставлены следующие цели: изучить структуру и принцип действия вентильно-импульсного двигателя, самостоятельно ознакомиться с принципом действия датчика (энкодера).

производство индукторный двигатель энкодер

Введение

Вентильные двигатели считаются в настоящее время наиболее перспективными электромеханическими преобразователями. Отсутствие щеточно-коллекторного узла существенно повышает надежность машины, значительно повышается ее ресурс. Однако для них также присуща более сложная система управления и наличие электронного блока, имеющего значительные размеры. По этой причине приобретение практических и теоретических знаний в этой области представляется весьма важной задачей.

1.1 Структурная схема вентильно-индукторного двигателя

Вентильно-индукторный двигатель - это относительно новый тип электромеханического преобразователя, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. ВИД представляет собой достаточно сложную электромеханическую систему, структурная схема которой приведена на рис.1.

Рис.1 Структурная схема

В ее состав входят: индукторная машина, преобразователь частоты, система управления и датчик положения ротора. Функциональное назначение этих элементов: преобразователь частоты обеспечивает питание фаз индукторной машины однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы, индукторная машина осуществляет электромеханическое преобразование энергии, система управления в соответствии с заложенными на нее алгоритмами и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет этим процессом.

По своей структуре ВИД ничем не отличаются от классической системы регулируемого привода, однако в отличие от регулируемого электропривода, индукторная машина в ВИД не является самодостаточной. Она принципиально неспособна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления является неотъемлемыми частями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии. Это дает право утверждать, что совокупность структурных элементов, представленных на рисунке 1, является не только системой регулируемого привода, но и электромеханическим преобразованием энергии.

1.2 Принцип действия вентильно - индукторного двигателя (ВИД)

Принцип действия ВИД основан на свойстве ферримагнитный тел ориентироваться во внешнем магнитном поле таким образом, чтобы пронизывающий их магнитный поток принимал максимальное значение.

Рассмотрим принцип действия ВИД на примере 4-фазного двигателя с ИМ конфигурацией 8/6. На рис.1, а показано так называемое рассогласованное взаимное положение сердечников статора и ротора для фазы А этой машины.

Рис.2 Принцип действия ВИД

а - рассогласованное положение сердечников для фазы А; б - промежуточное положение сердечников для фазы А; в - согласованное положение сердечников для фазы А

Рассогласованным положением сердечников статора и ротора для некоторой фазы ИМ называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей q (рис. 2) ротора, т.е. зубцы фазы располагаются строго напротив пазов ротора. Это положение характеризуется минимальным значением индуктивности фазы и магнитного потока, сцепленного с ней, что объясняется максимальным значением магнитного сопротивления зазора между сердечниками. В теории ВИД рассогласованное положение одной из фаз принимается за начало отсчета углового положения сердечников статора и ротора. В рамках данного пособия?за начало отсчета принято рассогласованное положение фазы А.

Рассогласованное положение представляет собой точку неустойчивого равновесия. Действительно, если под действием какого-либо внешнего воздействия ротор отклонится от рассогласованного положения в том или?ином направлении, то равнодействующая азимутальных составляющих ПС?сердечников уже не будет равна нулю. Следовательно, возникнет вращающий момент, который будет стремиться повернуть ротор в направлении от?рассогласованного положения.

Рис.3. Расположение осей d и q ротора ИМ

Возьмем другое положение ротора, показанное на рис.2, б. Здесь фаза А имеет большее потокосцепление и индуктивность, чем в рассогласованном?положении, что объясняется меньшей величиной зазора между сердечниками. При этом равнодействующая азимутальных составляющих ПС сердечников отлична от нуля, и созданный ею электромагнитный момент стремиться?повернуть ротор ИМ против часовой стрелки.

Вращение ротора будет продолжаться до тех пор, пока он не займет положение, показанное на рис. 2, в. Оно называется согласованным положением фазы А.

Согласованным положением сердечников статора и ротора ИМ для какой-либо фазы называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей d (см. рис. 2) ротора, т.е. зубцы фазы располагаются строго напротив полюсов ротора. Это положение характеризуется максимальным значением индуктивности фазы и сцепленного с ней магнитного потока, что объясняется минимальной величиной?магнитного сопротивления зазора между сердечниками. В этом положении ПС притяжения сердечников имеют только радиальные составляющие. В силу чего вращающий момент ИМ в этом положении равен нулю.

Согласованное положение представляет собой точку устойчивого равновесия. Действительно, если под действием какой-либо внешней силы?ротор отклонится от согласованного положения в ту или иную сторону, то?возникший электромагнитный момент будет стремиться вернуть его в согласованное положение.

2. Преобразователи угловых перемещений (энкодеры)

2.1 Применение

В данном устройстве механическое движение преобразовывается в электрические сигналы, определяющие положение объекта, дают информацию об угле поворота вала, его положении и направлении вращения.

Энкодер предназначен для преобразования углового перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений и пригодных для последующей отработки в устройствах числового программного управления или устройствах цифровой индикации.

Энкодеры имеют широкую сферу применения в печатной промышленности; металлообработке, лифтовой технике, автоматах для фасовки, упаковки и розлива, в испытательных стендах, а также в роботах и прочих машинах, требующих точной регистрации показателей движения частей.

2.2 Типы энкодеров

Выделяют следующие типы энкодеров: инкрементальный и абсолютный энкодер.

Инкрементальный энкодер - это устройство, которое определяет угол поворота вращающегося объекта, выдавая импульсный цифровой код. Используется для определения скорости вращения вала (оси), когда нет нужды сохранять абсолютное угловое положение при выключении питания. То есть, если вал неподвижен, передача импульсов прекращается. Другими словами, если включить энкодер этого типа, то отсчет поворота угла начнется с нуля, а не с угла на который он был выставлен до момента выключения. Оси объекта и энкодера соединяются между собой с помощью специальной гибкой переходной муфты или жесткой втулки, либо энкодер может помещаться собственно на сам вал. Основным преимуществом инкрементальных энкодеров является их простота, надежность и относительно низкая стоимость.

Абсолютный энкодер выдает цифровой код, различный для каждого положения объекта, позволяет определять угол поворота оси даже в случае исчезновения и восстановления питания и не требует возвращения объекта в начальное положение, что является несомненным преимуществом этого типа энкодеров. Так как угол поворота всегда известен, то счетчик импульсов в этом случае не нужен. Сигнал абсолютного энкодера не подвергается помехам и вибрации и тем самым для него не нужна точная установка вала. Абсолютный энкодер используется в высокоточных системах: робототехника, станки с числовым программным управлением и др.

2.3 Инкрементные преобразователи угловых перемещений

Инкрементальный энкодер использует диск, на котором равномерно нанесены однотипные метки (за исключением, индексной), поскольку основная задача инкрементального устройства -- детектирование пошагового перемещения с опорой на нулевую (индексную) метку при включении питания

При изменении углового положения вала относительно его исходного состояния, инкрементальные энкодеры вырабатывают выходной сигнал, представляющий собой последовательность импульсов прямоугольной формы. Путем обработки сигнала от инкрементального датчика можно получить информацию о текущем значении угла поворота вала относительно опорной индексной отметки (методом последовательных приращений), а также об угловой скорости.

Главным недостатком инкрементальных энкодеров, в сравнении с абсолютными, является потеря инкрементальной угловой информации при сбоях питания (даже в системах с внешним относительно энкодера индексным каналом). Тем не менее, в системах с резервированием подачи питания данный недостаток является несущественным.

3. Практическая часть

3.1 Исследуемый вентильно-индукторный Двигатель САИК 5227.14.000

Данный двигатель имеет следующие паспортные данные:

Число фаз статора: 3 фазы;

Номинальная частота вращения: 5000 об/мин;

Номинальная мощность: 5кВт;

Номинальный ток: 30 А;

КПД:92%;

Масса:23.3 кг;

В качестве преобразователя для данного двигателя был использован инвертор производства компании “Сапфир”. Схема включения с ВИД представлена на рис. Управление осуществляется следующим образом: после включения питания на цифровом табло отображается текущая частота вращения. Мигание какого - либо светодиода или значений на цифровом табло указывает, что данный параметр был изменен, но не сохранен в памяти преобразователя. Сохранение данных осуществляется кнопкой “Set”. Опишем другие кнопки в соответствующем меню преобразователя:

Down/Up - в режиме отображения текущей частоты вращения, выполняют функцию цифрового потенциометра. Одно нажатие увеличивает/уменьшает уставку по частоте вращения на 100 об/мин

Prg - выполняет переключение меню;

For- в режиме управления с клавиатуры служит для выбора хода вперед;

Rev - в режиме управления с клавиатуры служит для выбора хода назад;

Reset - в режиме управления от пульта питание двигателя отключается.

Рис.3 Подключение ВИД при питании от трехфазной цепи

Рис.4 Подключение обмоток двигателя к преобразователю

3.2 Исследуемый датчик угловых перемещений ЛИР - 392АТ

На муфте электрического двигателя закреплен датчик угловых перемещений (энкодер) (рис.5). В качестве исследуемого энкодера используется оптоэлектронный инкрементальный энкодер ЛИР - 392АТ. Он имеет два канала - А и B, которые электрически сдвинуты по фазе на 90 градусов (рис.6). Таким образом, направление вращения можно определить по фазовому соотношению двух каналов. Кроме того, для задания собственного начала отсчета преобразователь вырабатывает сигнал R референтной метки, в общем случае, раз за оборот вала.

Рис.5. Энкодер ЛИР - 392АТ

Рис.6 Выходы каналов A,B,R

3.3 Интерфейсная макетная плата для энкодера ЛИР - 392АТ

Рассмотрим составляющие макетной платы (рис.7), разработанной для энкодера. В основе ее работы лежит микросхема ADM3078EARZ, питаемая от 3.3 вольт, на вход которой подается импульсные сигналы A и B. Микросхема производит вычитание между инвертируемым и неинвертируемым сигналами, поступающих с энкодера, и в зависимости от их значения подает либо 1 (high value), либо 0 (low value). Рассмотрим также остальные элементы:

AM252405 - преобразователь напряжения с 24 до 5 вольт;

MPW -2 - электрическая вилка;

ADP3338 - стабилизатор;

Подтягивающие резисторы номиналом 120 Ом.

рис.7 Интерфейсная плата

Данная схема была реализована на практике с помощью макетной платы (рис.8).

Рис.8 Реализация схемы.

3.4 Создание лабораторного стенда и снятие импульсных сигналов с осциллографа

Собранный лабораторный стенд состоит из ВИД, его инвертора, трехфазного автомата номиналом 25 А, энкодера, макетной платы и измерительного осциллографа (рис.9)

Рис.9. Собранный лабораторный стенд

С помощью осциллографа снимем сигналы, поступающие со входа A энкодера (рис.10), с инверсного входа A (рис.11), и их логическую сумму (рис.12)

Рис.10 Вход с энкодера А

Рис.11 Вход с энкодера не А

Рис.12 Логическая сумма поданных сигналов (LIR A)

Проанализировав график, можно предположить, что на форму сигнала в некоторой степени повлиял дребезг контактов.

Размещено на Allbest.ru