электромашинный усилитель (Приводы роботов)

Электромашинный усилитель (ЭМУ), электрическая машина, предназначенная для усилениямощности подаваемого на обмотку возбуждения сигнала за счёт энергии первичного двигателя(обычно электрического). ЭМУ применяют в системах автоматического управления ирегулирования; выпускаются на мощности от долей вт до десятков квт с коэффициентомусиления (отношение мощности на выходе к мощности на входе) 104—105 Небольшое изменениемощности, подводимой в цепь возбуждения, вызывает во много раз большее изменениемощности, отдаваемой ЭМУ.

Различают ЭМУ продольного поля (с одной ступенью усиления) иЭМУ поперечного поля (с двумя ступенями). Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля(рис.). Такой ЭМУ представляет собой генератор постоянного тока, обычно двухполюсный с двумяпарами щёток на коллекторе. На полюсах статора расположены одна или несколько обмотоквозбуждения, чаще называемые обмотками управления (ОУ). При подаче в ОУ сигнала,подлежащего усилению, она создаёт магнитный поток Ф1, направленный вдоль оси d—d.

Вобмотке якоря наводится эдс, которая достигает наибольшего значения на щётках а—а и равнанулю на щётках b—b. Т. к. якорь замкнут накоротко щётками а—а, то даже при незначительнойэдс в цепи (обмотке) якоря возникает достаточно большой ток Ia, обусловливающий увеличениемощности сигнала (первая ступень усиления). Этот ток создаёт сильное поперечное магнитноеполе (магнитный поток Фаq). При вращении якоря в поперечном поле на щётках b—b, связанных свнешней цепью, появляется напряжение U2. В результате этого во внешней цепи возникаетбольшой ток I2, обусловливающий большую выходную мощность (вторая ступень усиления).Дополнительная обмотка, называется компенсационной, создаёт намагничивающую силу Fko,равную Fad, устраняя искажение сигнала.Электромашинный усилитель (ЭМУ) постоянного тока представляет собой коллекторнуюмашину постоянного тока. В электромашинных усилителях выходная (управляемая)электрическая мощность создается за счет механической мощности приводного двигателя,выполненного в одном корпусе с ЭМУ или раздельно.В зависимости от способа возбуждения электромашинные усилители подразделяются наусилители продольного поля и поперечного поля.

В усилителях продольного поляосновной поток возбуждения направлен по продольной оси машины. В качествепростейшего ЭМУ продольного поля может использоваться генератор независимоговозбуждения.Основные требования, предъявляемые к ЭМУ: максимальный коэффициент усиления помощности (коэффициент усиления kp - это отношение мощности на выходе к мощностиуправления); высокое быстродействие, характеризуемое электромагнитнымипостоянными времени его цепей; минимальная нелинейность регулировочныххарактеристик (регулировочная характеристика – это зависимость выходного напряженияот тока управления); большая перегрузочная способность по току.

Ниже рассмотреныЭМУ поперечного поля, наиболее распространенные в автоматических системахуправления, особенно малой мощности.Конструкция и принцип действия ЭМУ поперечного поля.На рис. 5.14, А представлена схема ЭМУ поперечного поля.Рис.5.14Конструктивно он выполнен подобно генератору постоянного тока, но имеет двойнойкомплект щеток, расположенных взаимно перпендикулярно. Щетки, установленные напоперечной оси машины qq, замкнуты накоротко. На статоре ЭМУ расположен рядобмоток. По продольной оси полюсов dd находятся обмотки управления У (обычно двеили четыре). Соосно с ними расположена компенсационная обмотка К.

Длярегулирования степени компенсации усилителя обмотка К шунтирована сопротивлениемRш. В эту же цепь для улучшения коммутации включена обмотка дополнительныхполюсов Д. Иногда в поперечную цепь последовательно с якорем включают поперечнуюобмотку подмагничивания П, имеющую малое сопротивление.Рассмотрим принцип действия ЭМУ поперечного поля. Пусть угловая скоростьприводного двигателя ω постоянная, к одной из обмоток управления приложенонапряжение постоянного тока и она создает МДС, где – число витков обмоткиуправления. Тогда под действием небольшого магнитного потока управления Фy впоперечной цепи якоря qq возникает ЭДС Ey= kωФy, также относительно малая позначению.

При этом в поперечной цепи якоря протекает значительный ток Iq, так как цепьимеет малое сопротивление.На рис. 5.14, Б показано направление тока Iq в проводниках якоря, создающегопоперечный поток якоря Фq. Под действием этого потока в продольной цепи якоря ddвозникает ЭДС Eя= kωФя, которая снимается продольными щетками.

Электродвижущаясила Ed вызывает появление тока Eяи на сопротивление Rн падает напряжение Ud.На рис 5.14, В показано направление тока Id в проводниках якоря, создающегопродольный поток якоря Фd, направленный навстречу потоку управления Фy. Если непринять мер, то большой поток Фd размагнитит усилитель и никакого усиления непроизойдет. Для компенсации (уравновешивания) продольного потока якоря на статорерасположена компенсационная обмотка К.Продольный поток якоря Фd пропорционален МДС Fd = Idwя, где wя- число витков впараллельной ветви якоря.

Как видно, продольная МДС Fd и, следовательно,пропорциональный ей магнитный поток Фd изменяются с изменением тока Id, т.е. зависитот сопротивления нагрузки Rн. Хорошее компенсирующее действие обмотки К получаютв том случае, если МДС этой обмотки Fктакже зависит от тока Id. Поэтому обмотку К ивключают в продольную цепь машины последовательно с обмоткой якоря. Тогда МДСкомпенсационной обмотки Fк= IdwяRш/ (Rк+Rш), где wя, Rш- число витков и сопротивлениекомпенсационной обмотки.Степень компенсации усилителя характеризуется коэффициентом компенсации Кк =Fк/Fd.Различают три возможных случая работы усилителя:1) при Кк=1 машина скомпенсирована;2) при Кк<1 –недокомпенсирована;3) при Кк>1 – перекомпенсирована.Обычно ЭМУ выпускают с небольшой перекомпенсацией: МДС компенсационнойобмотки примерно на 5% больше продольной МДС якоря, т.е.

Кк =1,05. Степенькомпенсации регулируется шунтирующим сопротивлением .Статические характеристики.Внешние характеристики - это зависимости Ud=f(Id) при Uy. Уравнение внешниххарактеристик имеет вид, аналогичный (5.11) , графики внешних характеристикизображены сплошными линиями на рис. 5.15, а.Рис.5.15При полной компенсации выходное напряжение с ростом тока убывает и отличается отЭДС х.х. на значение падения напряжения на внутреннем сопротивлении продольнойцепи ЭМУ. При перекомпенсации внешние характеристики более жесткие и могут бытьдаже возрастающими за счет подмагничивающего действия разностного потокакомпенсационной обмотки и продольной цепи якоря. При недокомпенсации –характеристики менее жесткие, чем при , за счет размагничивающего действияразностного потока.Регулировочные характеристики ЭМУ – это зависимости выходного напряжения(выходного тока) от тока управления при (рис.

5.15,б). При полной компенсации выходноенапряжение Ud с ростом тока Id убывает и отличается от ЭДС х.х. Ed0 на значение падениянапряжения на внутреннем сопротивлении Rd продольной цепи ЭМУ. Приперекомпенсации внешние характеристики более жесткие и могут быть дажевозрастающими за счет подмагничивающего действия разностного потокакомпенсационной обмотки и продольной цепи якоря. При недокомпенсации –характеристики менее жесткие, чем при KK = 1, за счет размагничивающего действияразностного потока.Регулировочные характеристики ЭМУ – это зависимости выходного напряжения(выходного тока) от тока управления при RH = const (рис.

5.15,б). Идеальныерегулировочные характеристики линейные, их крутизна зависит от степени компенсации.Вид реальных характеристик определяется формой кривой намагничивания машины. Прималых токах управления нелинейность характеристик и соответственно непостоянствокоэффициента усиления объясняются наличием остаточной ЭДС, наводимой остаточныммагнитным потоком.

В области больших токов управления эти явления связаны снасыщением магнитной цепи.При использовании ЭМУ в замкнутых системах автоматического регулированиямашина должна быть несколько недокомпенсирована(KK = 0,97:0,99), так как в случае перекомпенсации под действием остаточной ЭДС врежиме нагрузки ЭМУ может самовозбуждаться при нулевом сигнале управления. Этоявление объясняется неуправляемым увеличением продольного магнитного потокамашины, первоначально равного остаточному потоку, за счет подмагничивающегодействия компенсационной обмотки (положительная обратная связь по потоку).

Такие жеявления неуправляемого самовозбуждения в случае перекомпенсации возможны припоявлении в системе любого возмущения.Для устранения остаточной ЭДС может применяться размагничивание статора ЭМУпеременным током, протекающим по специальной обмотке.Коэффициент усиления по мощности является важнейшим показателем ЭМУ поперечногополя. Высокий коэффициент усиления по мощности (порядка k p = 103 - 105) получается засчет того, что ЭМУ поперечного поля является двухступенчатым. Первая ступеньусиления: обмотка управления – короткозамкнутая цепь поперечных щеток.