СОДЕРЖАНИЕ (1231068), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Всистемахснизкимдемпфированиемсуществуетопасностьпотери шаговилиповышенияшума,когдадвигательработаетвблизирезонансной частоты.Внекоторыхслучаяхпроблемымогутвозникатьинагармониках частотыосновногорезонанса.

Когдаиспользуетсянемикрошаговыйрежим,основнойпричинойпоявленияколебанийявляетсяпрерывистоевращениеротора.Приосуществлениишагароторутолчкомсообщаетсянекотораяэнергия.Этоттолчоквозбуждаетколебания.Энергия,котораясообщаетсяроторувполушаговомрежиме,составляетоколо30%отэнергииполногошага.Поэтомувполушаговом режимеамплитудаколебанийсущественноменьше.Вмикрошаговомрежиме сшагом1/32основногоприкаждоммикрошагесообщаетсявсегооколо0.1% отэнергииполногошага.Поэтомувмикрошаговомрежимеявлениерезонансапрактическинезаметно.

Дляборьбысрезонансомможноиспользоватьразличныеметоды.Например,применениеэластичныхматериаловпривыполнениимеханических муфтсвязиснагрузкой.Эластичныйматериалспособствуетпоглощению энергииврезонанснойсистеме,чтоприводиткзатуханиюпаразитныхколебаний.Другимспособомявляетсяприменениевязкоготрения.Выпускаются специальныедемпферы,гдевнутрипологоцилиндра,заполненноговязкой кремнийорганическойсмазкой,можетвращатьсяметаллическийдиск.При вращенииэтойсистемысускорениемдискиспытываетвязкоетрение,что эффективнодемпфируетсистему.

Существуютэлектрическиеметодыборьбысрезонансом.КолеблющийсяроторприводитквозникновениювобмоткахстатораЭДС.Еслизакоротитьобмотки,которыенаданномшагенеиспользуются,этоприведетк демпфированиюрезонанса.[5]

И,наконец,существуютметодыборьбысрезонансомнауровнеалгоритмаработыдрайвера.Например,можноиспользоватьтотфакт,чтоприработесдвумявключеннымифазамирезонанснаячастотапримернона20% выше,чемсоднойвключеннойфазой.Еслирезонанснаячастотаточноизвестна,тоееможнопроходить,меняярежимработы.

Еслиэтовозможно,пристартеиостановкенужноиспользоватьчастотывышерезонансной.Увеличениемоментаинерциисистемыротор-нагрузка уменьшаетрезонанснуючастоту.

Самойэффективноймеройдляборьбысрезонансомявляетсяприменениемикрошаговогорежима.

2.1.5Способыпитанияшаговогодвигателя

Дляпитанияобычногодвигателяпостоянноготокатребуетсялишьисточникпостоянногонапряжения,анеобходимыекоммутацииобмотоквыполняютсяколлектором.Сшаговымдвигателемвсёсложнее.Всекоммутациидолженвыполнятьвнешнийконтроллер.Внастоящеевремяпримернов 95%случаевдляуправленияшаговымидвигателямииспользуютсямикроконтроллеры.Впростейшемслучаедляуправленияшаговымдвигателемв полношаговомрежиметребуютсявсегодвасигнала,сдвинутыепофазена90 градусов.Направлениевращениязависитоттого,какаяфазаопережает.Скоростьопределяетсячастотойследованияимпульсов.Вполушаговомрежиме всёнесколькосложнееитребуетсяужеминимум4сигнала.Всесигналы управленияшаговымдвигателемможносформироватьпрограммно,однако этовызоветбольшуюзагрузкумикроконтроллера.Поэтомучащеприменяют специальныемикросхемыдрайверовшаговогодвигателя,которыеуменьшаютколичествотребуемыхотпроцессорадинамическихсигналов.Типично этимикросхемытребуюттактовуючастоту,котораяявляетсячастотойповторенияшаговистатическийсигнал,которыйзадаетнаправление.Иногда ещеприсутствуетсигналвключенияполушаговогорежима.Длямикросхем драйверов,которыеработаютвмикрошаговомрежиме,требуетсябольшее количествосигналов.Распространеннымявляетсяслучай,когданеобходимыепоследовательностисигналовуправленияфазамиформируютсяспомощьюодноймикросхемы,анеобходимыетокифазобеспечиваетдругаямикросхема.Хотявпоследнеевремяпоявляетсявсебольшедрайверов,реализующихвсефункцииводноймикросхеме.[5]

Дляданногоразмерашаговогодвигателяместо,занимаемоеобмотками,ограничено.Поэтомуоченьважносконструироватьдрайвертак,чтобы дляданныхпараметровобмотокобеспечитьнаилучшуюэффективность.

Схемадрайверадолжнавыполнятьтриглавныхзадачи:

- ¬иметьвозможностьвключатьивыключатьтоквобмотках,атакжеменять егонаправление;

- поддерживатьзаданноезначениетока;

- обеспечиватькакможноболеебыстроенарастаниеиспадтокадляхорошихскоростныххарактеристик.

2.1.6Выводы

Такимобразом,кдостоинствамшаговыхдвигателейможноотнести следующиеихособенности:

-уголповоротаротораопределяетсячисломимпульсов,которыеподанына двигатель;

-двигательобеспечиваетполныймоментврежимеостановки(еслиобмоткизапитаны);

-прецизионноепозиционированиеиповторяемость.Хорошиешаговые двигателиимеютточностьот3до5%отвеличинышага.Этаошибкане накапливаетсяотшагакшагу;

-возможностьбыстрогостарта/остановки/реверсирования;

-высокаянадежность,связаннаясотсутствиемщеток,срокслужбышаговогодвигателяфактическиопределяетсясрокомслужбыподшипников;

-однозначнаязависимостьположенияотвходныхимпульсовобеспечивает позиционированиебезобратнойсвязи;

-возможностьполученияоченьнизкихскоростейвращениядлянагрузки, присоединеннойнепосредственноквалудвигателябезпромежуточного редуктора;

-можетбытьперекрытдовольнобольшойдиапазонскоростей,скорость пропорциональначастотевходныхимпульсов;

Недостаткишаговыхдвигателей:

-шаговымдвигателемприсущеявлениерезонанса;

-возможнапотеряконтроляположенияввидуработыбезобратнойсвязи;

-потреблениеэнергиинеуменьшаетсядажебезнагрузки;

-затрудненаработанавысокихскоростях;

-невысокаяудельнаямощность;

-относительносложнаясхемауправления;

Рисунок 2.11 – Шаговый двигатель EM-34

Для стенда была разработана схема управления шаговым двигателем на основе микросхемы ULN2003, внешний вид которой представлен на рисунке 2.11.1, а электрическая схема на рисунке 2.11.2.

Рисунок 2.11.1 – Внешний вид схемы управления шаговым двигателем

Рисунок 2.11.2 – электрическая схема управления шаговым двигателем

2.2 Описание тензометрических датчиков

Тензорезисторы используются для измерения деформации в твердых телах. На их основе строят датчики веса, давления, силы, перемещения, момента, ускорения, вибрации, натяжения, крутящего момента, остаточных напряжений в механических конструкциях и деталях машин после их обработки и т.д. Принцип действия тензорезистора основан на изменении электрического сопротивления твердого тела при его деформации приложенной силой.

Рис 2.12 – Тензометрические датчики используемые в стенде

Сопротивление твердого тела определяется формулой:

(2.6)

где - удельное сопротивление;

L - длинна;

S - площадь поперечного сечения;

При приложении к телу растягивающей силы F происходит деформация: увеличивается длина тела на ∆L и уменьшается площадь поперечного сеченияна ∆S. У большинства тел изменяется также удельное сопротивление на величину ∆ . В случае, когда эти приращения малы, путем логарифмирования и последующего дифференцирования обеих частей формулы для R получим:

(2.7)

Рисунок 2.13 – Изображение растягивающей силы на тензодатчике

Поскольку площадь поперечного сечения проводника пропорциональна его характерному поперечному размеру (в случае круглого сечения S=πd^2/4, для прямоугольного сечения c×d, площадь S=k×d^2, если c=k×d), то при∆d≪d в обоих случаях можно получить соотношение:

(2.8)

поэтому:

(2.9)

где - коэффициент Пуассона, для металлов равный

v=0,25…0,4;

- относительное удлинение (относительная деформация) тела. Величина является безразмерной, однако, поскольку она измеряется тысячными и миллионными долями, для удобства оперирования числами используют безразмерные единицы измерения, такие как мм/м, мкм/м.

У металлов удельное сопротивление меняется слабо, поэтому:

(2.10)

т.е. относительное изменение сопротивления линейно зависит от относительного изменения длины.[5]

Чувствительность тензорезистора к изменению его длины характеризуется коэффициентом относительной тензочувствительности GF("GaugeFactor"):

(2.11)

или используя (2.9), получим:

(2.12)

Коэффициент тензочувствительности GF для большинства металлических тензодатчиков примерно равен , для платины , для некоторых специальных сплавов он может доходить до 10.

Для измерения силы с помощью тензорезисторов используют закон Гука, согласно которому при упругой деформации механическое напряжение пропорционально относительной деформации :

(2.13)

где K - модуль упругости.

Напряжением называется физическая величина, численно равная упругой силе, приходящейся на единицу площади поперечного сечения тела (рисунок 2.1):

(2.14)

Используя приведенные выше соотношения, можно выразить величину силы через относительное изменение сопротивления тензорезистора в виде:

(2.15)

Подставляя вместо его значение из (2.11), получим:

(2.16)

Таким образом, измерение силы с помощью тензорезистора сводится к измерению его сопротивления или напряжения на выходе измерительного моста, которое зависит от сопротивления.

2.2.1 Датчики на основе тензорезисторов

Конструктивно датчик на основе тензорезистора (тензодатчик) состоит из очень тонкого провода или, более часто, металлической фольги, сформированной в виде змейки (рисунок 2.14) и нанесенной на подложку (носитель), которая непосредственно приклеивается к испытываемому телу. Типовая длина тензодатчиков колеблется от 0,2 мм до 10 см. [5]

Змеевидная структура датчика обеспечивает большое относительное изменение длины фольги вдоль датчика и очень малое изменение при растяжении датчика в поперечном направлении. Поэтому коэффициент Пуассона в такой структуре минимален.

Серийные тензодатчики имеют сопротивление от 30 Ом до 3 кОм при типовых значениях 120 Ом, 350 Ом и 1 кОм. Для точной передачи растяжения образца через подложку на проводник очень важно правильно прикрепить датчик к испытываемому образцу. Для этого лучше всего пользоваться информацией, предоставляемой изготовителем тензодатчика.

Длина чувствительного элемента тензодатчика и длина его подложки изменяются в зависимости от температуры. Поэтому, несмотря на специальные меры, принимаемые при изготовлении тензодатчиков их производителями, существует проблема снижения температурной чувствительности. Температурная чувствительность определяется двумя физическими явлениями: зависимостью омического сопротивления материала тензорезистора от температуры и паразитным тензорезистивным эффектом, который возникает вследствие несогласованности температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор.

Рисунок 2.14 – Структура тензодатчика

2.2.2 Измерения с помощью тензодатчиков

Измерения с помощью тензодатчиков требуют регистрации очень малых изменений сопротивления. Например, относительное изменение сопротивления, вызываемое относительным растяжением 0,0005 при тензорезистивном коэффициенте, равном 2, составит 0,1 %, что для тензодатчика сопротивлением 120 Ом эквивалентно сопротивлению всего лишь 0,12 Ом. Чтобы измерять столь малое изменение сопротивления и скомпенсировать температурную погрешность, тензодатчики практически всегда используют в мостовой схеме (рисунок 2.15), подключенной к источнику напряжения или тока (источнику питания моста).В разработанном стенде, для подключения тензодатчиков использовалась мостовая схема Уинстона:

Рисунок2.15 – Мост Уинстона с источником напряжения

Общепринятого стандарта для питания моста не существует. Типовыми являются напряжения 3 В и 10 В. Ток через тензодатчик обычно составляет от 2 мА до 30 мА для датчиков с сопротивлением от 1 кОм до 120 Ом. Напряжение питания моста должно быть по возможности большим, чтобы

увеличить отношение сигнала к шуму, и в то же время достаточно малым, чтобы минимизировать погрешность, вызванную саморазогревом датчика.

Для проверки правильности калибровки измерительной схемы используют резистор с известным (калиброванным) значением сопротивления, которым шунтируют тензодатчик. Показания измерительной системы должны соответствовать расчетному значению, соответствующему этому сопротивлению.[5]

В связи с малостью сигнала от тензодатчика во многих случаях целесообразно применять фильтр, ослабляющий помехи с частотой 50 Гц.

Выходное напряжение измерительного моста (рисунок 2.3) равно:

(2.17)

При условии баланса моста его выходное напряжение равно . Малейшая разбалансировка вследствие изменения сопротивления тензодатчика приводит к появлению напряжения на выходе.

Обозначим абсолютное изменение сопротивления тензодатчикачерез . Тогда, как следует из (2.11):

, (2.18)

где – сопротивление тензорезистора в ненапряженном состоянии.

Если сбалансировать мост таким образом, чтобы при отсутствии растяжения тензодатчика и , то из (2.17) получим:

(2.19)

или окончательно,после преобразований:

(2.20)

Рисунок2.16 – Полумостовая схема включения тензорезисторов для компенсации температурной погрешности

Характеристики

Список файлов ВКР