научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ ЗАМКНУТОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ ЗАМКНУТОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ»

Технология приборостроения

Со Лин Аунг, аспирант Московского государственного института электронной техники

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ ЗАМКНУТОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

В настоящее время для управления плавным перемещением рабочего инструмента по нескольким координатам одновременно в станках с числовым программным управлением (ЧПУ), для повышения точности изготовления прецизионных деталей в точном приборостроении (например, часовая промышленность, устройства точной механики и т.д., а также в микроэлектронике для выращивания монокристаллического кремния по методу Чохральско-го и Степанова) требуются высокая плавность и стабильность скорости (0,1-0,5)% [1]. Для реализации этих задач в настоящее время находят применение системы управления шаговым двигателем со стабилизацией скорости.

Система управления (рис. 1) шаговым двигателем со стабилизацией скорости в режиме бесконтактной машины постоянного тока (БМПТ) содержит двигатель 1 с датчиком 2 положения ротора. Усилители мощности 14-15 соединены с выходами логических элементов 10-13, первые входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя-распределителя 4, а их вторые входы объединены и соединены с выходом сравнивающего устройства 9. На входы сравнивающего устройства подаются линейно изменяющиеся сигналы с датчика положения ротора и с внешнего генератора 3.

Рис. 1. Структурная схема системы стабилизации скорости ШД в режиме БМПТ

На рисунке обозначено: 1 — шаговый двигатель, 2 — датчик положения ротора, 3 — внешний генератор линейно изменяющегося напряжения, 4 — формирователь-распределитель импульсов, 5-8 — компараторы, 9 — сравнивающее устройство,10-13 — логические элементы И, 14-17 — усилители мощности.

Система управления работает следующим образом. Шаговый двигатель 1 с датчиком 2 положения на валу работает в режиме бесконтактной машины постоянного тока. Коммутация фаз обеспечивается подачей с выходов компараторов 5-8 сигналов на первые входы группы логических элементов И 10-13.

Когда крутизна внешнего генератора превышает крутизну сигнала датчика, выходной сигнал сравнивающего устройства принимает высокий уровень, в результате чего контур об-

ратной связи по положению оказывается замкнутым и двигатель разгоняется. В процессе разгона двигателя возрастает крутизна сигнала датчика и при достижении им крутизны сигнала с внешнего генератора сравнивающее устройство переходит в противоположное состояние. Контур связи по положению размыкается и двигатель тормозится под действием момента нагрузки до определенного срабатывания сравнивающего устройства.

Таким образом, скорость двигателя стабилизируется на уровне, определяемым внешним генератором.

Рассматриваемая система стабилизации скорости исследуется в программном пакете МЛТЬЛВ. Уравнения, описывающие систему стабилизации скорости замкнутого, имеют следующий вид [2]:

йв .

1й - х—I + х—- = и. йт йт

й

йв . & 5 йв

гч + х~1а + х-+ -

й 2в

йт йт Кб йт

2 = *ЧК б

(1)

йт

т=Л ±

п \а)

Когда контур связи по положению ротора замыкается, составляющие напряжения внешнего воздействия равны:

ий = Саз(у-в), ич = &п(у - в). При размыкании контура связи составляющие напряжения внешнего воздействия равны:

ий = о, ид = 0.

На рис. 2 показана математическая модель системы стабилизации скорости ШД в программном пакете МЛТЬЛВ [3].

Рис. 2. Математическая модель системы стабилизации скорости ШД в режиме БМПТ

В этой модели для моделирования режимов замыкания и размыкания контура связи по положению ротора используется программный блок «Embedded MATLAB function». На рис. 3 показана блок-схема алгоритма работы блока «Embedded MATLAB function», а на рис. 4 приведен текст программы этого блока.

*} Embedded MATLAB Editor - Block: test/gamma-thêta

File Edit Text Debug Tools Window Help

-P|X

? X

□ &

Jt

в t

* w

£l 1 " □

1 (function [Ud,ïïq] = fen(theta,gamma,dtheta,generator)

2 % This block: supports an eirbeddable subset

3 %of the MATLAB language.

4 % See the help menu for details.

5 - Ud=0; Uq=0;

6 - if(dtheta>=generator]

7 - Ud=0; S - Uq=0; 9 - else

10 - gamma=gamiria+f loor [ (theta+pi/4) / (pi/2) ) *pi/2;

11 - Ud=cos ( gaimia-theta) ;

12 - Uq=sin ( gatmia-theta) ;

13 - end

14

Л

Ready

Ln 1 Col 1

Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы блока «Embedded MATLAB function»

Рис. 4. Программа блока «Embedded MATLAB function»

Исследуем модель системы управления ШД в режиме БМПТ, без внешнего генератора. Изменяя момент нагрузки, найдем значения установившейся скорости. На рис. 5 показаны полученные переходные процессы изменения скорости ШД для этого режима при изменении момента нагрузки в диапазоне (0,05 - 0,25) и 3 = 0,2; X = 0,2 .

Из рис. 5 видно, что при изменении момента нагрузки в диапазоне (0,05-0,2) значения установившейся скорости более 3. Поэтому можно стабилизировать скорость двигателя с

использованием внешнего генератора, на уровне, не более 3 при моменте нагрузки не более 0,2. Изменяя коэффициент внутреннего демпфирования, можно расширить диапазон регулирования скорости.

4.5 4 3.5 3

р 2.5

1.5 1

0.5

0

-0.5

0 20 40 1 60 80 100

Рис. 5. Переходные процессы изменения скорости ШД в режиме БМПТ

На рис. 6 приведены полученные эпюры переходных процессов изменения скорости ШД в режиме стабилизации при изменении момента нагрузки в диапазоне (р,н = 0,05 ^ 0,2). Из

графиков видно, что при изменении момента нагрузки установившаяся скорость не изменяется и стабилизирована на уровне 3, определяемым внешним генератором.

3.5 «у«

3 2.5 2 1.5 1

0.5

О

-0.5

О 5 10 15 20 25 30

I

Рис. 6. Переходные процессы изменения скорости ШД в режиме стабилизации

Исследования колебаний мгновенной скорости ШД в режиме стабилизации показывает их рост с увеличением момента нагрузки на валу двигателя, что показано на рис. 7.

й=0,2; х=0,2;

Ин=<>,05

ЙЮ.2

Шуст

3

2.95

2.9

2.85

2.8

Рис. 7. Колебания мгновенной скорости ШД в режиме стабилизации

Полученные результаты показывают необходимость разработки систем уменьшения колебаний мгновенной скорости ротора ШД на базе информации о положении ротора внутри шагового интервала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://virlib.eunnet.net/win/metod_materials/wm7/index.htm

2. Ивоботенко Б.А., Рубцов В.П., Садовский и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями, Под общ. ред. Чиликина М. Г. М., «Энергия», 1971. - 624 с.: ил.

3. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в МЛТЬЛВ. Учебный курс. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа ВЫУ, 2005. - 512 е.: ил.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком