СОДЕРЖАНИЕ (1231068), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Лабораторный стенд, представленный на рисунке 2, состоит из портативного корпуса, в котором находится лабораторная установка. Она состоит из металлической конструкции, которая представляет собой рамку, сверху которой закреплена пластина. На данную пластину устанавливаются тензометрические датчики. Конструкция данных датчиков представляет собой упругий элемент, на котором расположен тензорезистор. Прикладывая силу к датчику, происходит деформация упругого элемента включая тензорезистор. В результате изменения длинны, меняется сопротивление тензорезистора, отсюда можно судить о силе воздействия на датчик, а следовательно, и о весе груза. Принцип измерения с помощью тензодатчиков сводится к тому, чтобы уравновесить массы взвешиваемого груза с упругой механической силой тензодатчиков. Далее, для обработки информации, данная сила преобразовывается в электрический сигнал. Для измерения сигнала с тензометрических датчиков используются модули NationalInstrumentsUSB-6009, которые предварительно усиливают сигнал. Полученные данные измерений выводятся на дисплейперсонального компьютера, что позволяет отслеживать и изменять параметры в режиме реального времени. Использование тензометрических датчиков не зависит от условий окружающей среды (температуры, влажности, давления), а также от влияния агрессивных сред и жестких условий эксплуатации. Пластину с укрепленными на ней тензометрическими датчиками нагружает стержень с резьбой. На конце пластины установлена гайка, внутри которой и ходит данный стержень, изгибая пластину. Стержень посредством муфты соединен с шаговым двигателем, который и приводит его во вращение. Управление и обработка результатов проводится в пакете LabView. Данное программное обеспечение наглядно показывает работу лабораторной установки, имеет интуитивно понятный интерфейс, множество настроек и простоту использования.

Рисунок 2 – Модель разработанного стенда для измерения деформации

2.1 Описание работы шагового двигателя

В разрабатываемом стенде, для нагружения исследуемой для деформации пластины, применяется шаговый двигатель. Униполярныйдвигательимеет одну обмотку в каждой фазе, и от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (рисунок 2.1). [3]

Рисунок 2.1 – Схема униполярного шагового двигателя

Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности. Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствие омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практикевсежечастоприменяютуниполярныедвигатели,таккак они требуют значительно более простых схем управления обмотками. Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствие омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. Вуниполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшегодиаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. Втаком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками. [3]

2.1.1 Способы управления шаговым двигателем

Первый способобеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рисунок 2.2, а). Этот способ называют волновой последовательностью“one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50 % обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент. [4]

Рисунок 2.2 – Последовательности коммутации фаз: а) волновая, б) шаговая

Второй способ – управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют шаговой последовательностью “two-phase-on” fullstep или просто fullstepmode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рисунок 2.2, б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае однойвключеннойфазы.Этотспособуправленияобеспечиваеттакойже уголшага,какипервыйспособ,ноположениеточекравновесияроторасмещено на полшага. [4]

В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на полшага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на полшага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания. Ток удержания может быть меньше номинального, так как от двигателя с неподвижным ротором обычно не требуется большого момента. Однако есть применения, когда в остановленном состоянии двигатель должен обеспечивать полный момент, что для шагового двигателя возможно. Это свойство шагового двигателя позволяет в таких ситуациях обходиться без механических тормозных систем. Поскольку современные драйверы позволяют регулировать ток питания обмоток двигателя, задание необходимого тока удержания обычно не представляет проблем. Задача обычно заключается просто в соответствующей программной поддержке для управляющего микроконтроллера. [4]

Полушаговая последовательность – комбинация двух предыдущих, “oneandtwo-phase-on” halfstep или просто halfstepmode, когда двигатель делает шаг в половину основного (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Полушаговая последовательность

Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной. Для двигателя, у которого запитана одна обмотка, зависимость момента от угла поворота ротора относительно точки равновесия является приблизительно синусоидальной. Эта зависимость для двухобмоточного двигателя, который имеет N шагов на оборот (угол шага в радианах α=2π/N, показан на рисунке 2.4). [4]

Рисунок 2.4 – Зависимость момента от угла поворота ротора для одной запитанной обмотки

Реальнохарактерзависимостиможетбытьнесколькодругой,чтообъясняетсянеидеальностьюгеометрииротораистатора.Пиковоезначениемоментаназываетсямоментомудержания.Формула,описывающаязависимость моментаотуглаповоротаротора,имеетследующийвид:

(2.1)

где М ¬– момент;

–¬момент удержания;

α – угол шага;

φ – угол поворота ротора.

Есликроторуприложитьвнешниймомент,которыйпревышаетмоментудержания,роторпровернется.Есливнешниймоментнепревышает моментаудержания,тороторбудетнаходитсявравновесиивпределахугла шага.Нужноотметить,чтоуобесточенногодвигателямоментудержанияне равеннулювследствиедействияпостоянныхмагнитовротора.Этотмомент обычносоставляетоколо10%максимальногомомента,обеспечиваемого двигателем. [4]

Иногдаиспользуюттермины«механическийуголповоротаротора»и «электрическийуголповоротаротора».Механическийуголвычисляетсяисходяизтого,чтополныйоборотроторасоставляет2πрадиан.Привычисленииэлектрическогоуглапринимается,чтоодиноборотсоответствуетодномупериодуугловойзависимостимомента. Для приведенных выше формул φ является механическим углом поворота ротора, а электрический угол для двигателя, имеющего 4 шага на периоде кривой момента, равен:

или , (2.2)

где N –число шагов на оборот.

Электрический угол фактически определяет угол поворота магнитного поля статора и позволяет строить теорию независимо от числа шагов на оборот для конкретного двигателя.

Еслизапитатьодновременнодвеобмоткидвигателя,томоментбудет равенсуммемоментов,обеспечиваемыхобмоткамипоотдельности(рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Зависимость момента от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток

Приэтом,еслитокивобмоткаходинаковы,тоточкамаксимумамоментабудетсмещенанаполовинушага.Наполовинушагасместитсяиточка равновесияротора(точкаxнарисунке).

Этотфактиположенвосновуреализацииполушаговогорежима.Пиковоезначениемомента(моментудержания)приэтомбудетвкореньиздвух разбольше,чемприоднойзапитаннойобмотке.

,(2.3)

где –момент удержания при двух запитанных обмотках;

¬ – момент удержания при одной запитанной обмотке.

Величинаинаправлениемагнитногополяпоказанынавекторнойдиаграмме(рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Величина и направление магнитного поля для разных режимов питания фаз

ОсиXиYсовпадаютснаправлениеммагнитногополя,создаваемого обмоткамипервойивторойфазыдвигателя.Когдадвигательработаетсоднойвключеннойфазой,роторможетзаниматьположения1,3,5,7.Если включеныдвефазы,тороторможетзаниматьположения2,4,6,8.Ктому же,вэтомрежимебольшемомент,таккаконпропорционалендлиневектора нарисунке.Обаэтиметодауправленияобеспечиваютполныйшаг,ноположенияравновесияроторасмещенынапол-шага.Еслискомбинироватьдва этихметодаиподатьнаобмоткисоответствующиепоследовательностиимпульсов,томожнозаставитьроторпоследовательнозаниматьположения1,2,3,4,5,6,7,8,чтосоответствуетполовинномушагу.

Посравнениюсволновойишаговойпоследовательностями,полушаговаяимеетследующиепреимущества:

-болеевысокаяразрешающаяспособностьбезпримененияболеедорогих двигателей; [4]

- меньшиепроблемысявлениемрезонанса.Резонансприводитлишькчастичнойпотеремомента,чтообычнонемешаетнормальнойработепривода.

Недостаткомполушаговогорежимаявляетсядовольнозначительное колебаниемоментаотшагакшагу.Втехположенияхротора,когдазапитана однафаза,моментсоставляетпримерно70%отполного,когдазапитаныдве фазы.Этиколебаниямогутявитьсяпричинойповышенныхвибрацийишума,хотяонивсёравноостаютсяменьшими,чемвполношаговомрежиме.

Микрошаговыйрежимобеспечиваетсяпутемполученияполястатора,вращающегосяболееплавно,чемвполно-илиполушаговомрежимах.

Врезультатеобеспечиваютсяменьшиевибрацииипрактическибесшумная работавплотьдонулевойчастоты.Ктомужеменьшийуголшагаспособен обеспечитьболееточноепозиционирование.Существуетмногоразличных микрошаговыхрежимов,свеличинойшагаот1/3полногошагадо1/32идажеменьше.Шаговыйдвигательявляетсясинхроннымэлектродвигателем.

Этозначит,чтоположениеравновесиянеподвижногороторасовпадаетснаправлениеммагнитногополястатора.Приповоротеполястатораротортоже поворачивается,стремясьзанятьновоеположениеравновесия.

Чтобыполучитьнужноенаправлениемагнитногополя,необходимо выбратьнетолькоправильноенаправлениетоковвкатушках,ноиправильноесоотношениеэтихтоков. [4]

Характеристики

Список файлов ВКР