книги / Основы автоматики

чен двигатели синхронного типа. Но предельная частота, при ко­ торой они еще надежно срабатывают на каждый импульс, меньше и не превосходит 75 импульсов в оекунду у самых лучших образцов. За очет более сложной кинематики надежность и срок службы у шаговых двигателей релейного типа ниже. Обычно срок службы их ограничивается несколькими сотнями тысяч импульсов.

В динамическом отношении шаговые двигатели можно считать идеальными интегрирующими (суммирушцими) элементами, если за входную величину принимать частоту следования импульсов, а за выходную - угол поворота вала двигателя. Так, например, если в акселерометре выходной сигнал выводится в виде импульсов, частота следования которых пропорциональна ускорению, то угол поворота шагового двигателя, питаемого этими импульсами,будет пропорционален скорости,т.е. интегралу от ускорения.

Таким образом, при достаточно малом шаге дискретности при­ ближенно передаточная функция шагового двигателя может быть записана в виде

_ Мр)		к
W^ P ] ~ l H p r J			(5.19)
Здесь N( р ) и А (р ) - изображение		по Лаплаоу соответственно
от функций скорости следования импуль­
са /?(t	) и угла		поворота вала двига­
теля d	( t );

к- коэффициент передачи, численно равный углу поворота вала на один импульс.

Существенным достоинством шаговых двигателей является воз­ можность осуществления с их помощью программных поворотов ис­ полнительных механизмов на строго фиксированный угол без кон­ троля этого поворота жеоткой обратной связью. Иногда это су­ щественно облегчает построение системы. Однако после всякого сбоя питания устройство должно быть возвращено в исходное по­ ложение.

Для питания шаговых двигателей требуются генераторы импуль­ сов с малым выходным сопротивлением и достаточно большой (5 - 10 вт) выходной мощностью. Для этой цели используются реле и транзисторные усилители, работающие в ключевом режиме.

Шаговые искатели по принципу действия ничем не отличаются от шаговых двигателей релейного типа. Отличие состоит лишь в том, что на валу, связанном с зубчатым колесом, устанавливается

неовохьво рядов токосъемных щеток (по 2 - 3 в каадом ряду). При подаче импульсов на обмотку электромагнита щетки переме­ щаются с ламели на ламель контактных полей* выполненных в ви­ де секторов, закрепленных концентрично о валом. При этом про­ исходит поочередная коммутация электричеоких цепей, соединен­ ных с контактами. Шаговые искатели могут иметь до 200 контак­ тов и, оледовательно, распределять сигналы в такое хе количе­ ство цепей.

§ 5 .5 . МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Наиболее оущеотвенными требованиями, предъявляемыми к элек­ трическим двигателям оиотен автоматического управления, явля­ ются большая вратнооть регулирования, значительный пуоковой момент и малая инерционность. Поэтому при конструировании си­ стемы отремятоя удовлетворить именно этим требованиям.

Наиболее эффективными средствами увеличения кратности ре­

гулирования являются применение для управления двигателями уси­

лителей с достаточным запасом выходной мощности и большим ко­

эффициентом усиления по напряжению, а также охват цепи управ­

ления двигателя гибкой обратной связью с большим коэффициен­

том усиления. В последнем случае вал электродвигателя сочле­

няется с тахогенератором. При вращении якоря тахогенератора

Рис.5.13. Елок-охема интегрирующего привода с тахометрической обратной овязью

на его выходе генерируется пропорциональная скорости вращения электродвижущая оила, которая подается на вход уоилителя и сравнивается о поступающим туда же напряжением управления

(рио.5.13). Усилитель имеет большой (несколько тысяч) коэффи­ циент уоилекия по напряжению и достаточную выходную мощность. Даже при очень незначительном отклонении окорооти вращения ро­ тора от веданной усиленная в тысячи раз разно^ь напряжения управления и з .д .с . тахогенератора форсированно "подтягивает" окорооть двигателя по заданной.

Такая сиотема называется и н т е г р и р у ю щ и м		п р и ­
в о д о м	и может иметь кратность регулирования составляю­

щую неокольво тыояч. В хорошо отрегулированных интегрирующих приводах устойчивое вращение якоря достигается при скорооти 2 - 3 об/мии, в то время как двигатель без тахометричеокой об­

ратной связи уотойчиво вращается при нагрузке оо окороотьв неокодько оот оборотов в минуту. Наиболее чаото интегрирующий привод ооздаетоя о асинхронными двухфазными двигателями и та - хогевератораии, а также о полупроводниковыми уоилителями.

Отрицательная обратная связь также уменьшает и инерцион­ ность привода, делая его практически идеальным интегрирующим звеном.

В оистемах, где требуются увеличенные пусковые моменты, применяются форсированные режимы работы в момент пуска или повышенной нагрузки.Эго обеспечивается автоматическим шунтиро­ ванием добавочных сопротивлений, вследствие чего при пуоке в цепь управления злектродвигателем подводится напряжение,превышавдее номинальное. После уменьшения нагрузки до номиналь­

ной величины добавочные сопротивления отключаютоя и форсиро­ вание прекращается.

Для згой же цели в качеотве исполнительных элементов ис­ пользуют двигатели постоянного тока со смешанным возбуждени­ ем (независимым и последовательным). Последовательная обмот­ ка возбуждения обеспечивает большой пусковой момент, а при малых нагрузках очень мало влияет на работу двигателя.

6 двухфазных асинхронных двигателях о целью увеличения пускового момента обмотка управления выполняется из двух сек­ ций. При пуске зти обмотки включаютоя параллельно и обеспечи­ вают большой пусковой момент. При малых нагрузках они вклю­ чаютоя последовательно, чем достигается увеличение кратноотн регулирования.

I . Типы гидравлических и пневматических исполнительных

УОТРОЙОТВ

В системах автоматического управления в качеотве исполнительных устройств наряду о электродвигателями широко применяют­ ся гидравлические и пневматические двигатели.

Различают исполнительные двигатели поступательного и вра­ щательного движений.

Исполнительные двигатели поступательного движения могут быть двойного и одностороннего действия. В первом случае

1 У У'	||1
=	JL
Рис.5 .1 4 .Исполни­		Рис.5 .1 5 .Исполни­
тельный двигатель		тельный двигатель
поступательного		поступательного
движения двойного		движения	односто­
дейотвия:		роннего дейотвия:
I - цилиндр; 2 -		I - цилиндр; 2 -
поршень со	штоком	поршень	оо штоком;
		3 -	пружина

Рио.5 .I 6.Исполнитель­ ный двигатель враща­ тельного движения:

I - цилиндр; 2 - пор­ шень; 3 - кривошипно­ шатунная передача

(рис.5.14) подвижные элементы исполнительного двигателя при прямом и обратном ходах перемещаются силой давления рабочей жидкости или газа. Во втором олучае (рис.5.15) подвижные де­ тали перемещаются в одну из оторон усилием пружины. Подвижные элементы исполнительных устройотв выполняются обычно в виде поршня.

Исполнительные двигатели вращательного движения представ­ ляют собой устройство двойного дейотвия с углом поворота мень­ ше 360°. Поворот выходного вала достигается преобразованием поступательного движения поршня во вращательное при помощи ша­ туна и кривошипа (рис.5 .1 6 ). Имеются также гидродвигатели с неограниченным углом поворота выходного вала.

Гидравлические и пневматические двигатели обычно управля­

в*ся специальным устройством - переменным дросселем. В каче­ стве дросселей используется золотниковые пары, усилители типц "сопло-заслонка" и струйные трубки.

2 . При нци п дейотвия и передаточные Функци и гидравлических двигателей

На рио.5.17 изображена принципиальная схема гидравличе­ ского исполнительного двигателя двойного действия с золотни­

ковым управлением. В

среднее

отверстие

золотника

поступает

рабочая жидкооть с давлением Рр . При

смещении золотниковой

пары от

средне­

р

Р

го положения рабочая жидкооть начинает

CJI

Р

поступать в одну из полостей гидроци­

линдра (рис.5.17 - в левую), и поршень

будет перемещаться вместе со штоком.

2

При этом из второй

полооти

рабочая

, г ___

■

жидкость выдавливается

через

сливное

х

отверотие

золотника.

к

---1

Особенность рассматриваемой

схемы

состоит в том, что силовая (номентная)

Рис.5 .17 .Исполнитель­

характеристика гидродвигателя

о золот­

ный двигатель посту­

ником близка к релейной. Действитель­

пательного движения

с золотниковым управ­

но, без учета утечек и перекрытия при

лением:

любом малом перемещении золотниковой

1 -

цилиндр с поршнем

пары движущая

статическая

сила

на

2 -

золотниковое уст­

ройство

с поршнями

штоке

Fd =

Щ ~ Р Сл )=$пЬР,

(5.20)

где

S„ -

эффективная площадь поршня;

Рр - давление на сливе;

Рся - давление внешнего источника рабочей жидкооти.

На рис.5.18

показана зависимость

ДР и

Fg

от перемеще­

ния

золотника

h

без

учета

зоны нечувствительности.

Движению

поршня

(штока)

противодействуют

инерционная

си­

ла, оила вязкого трения Ff

,

пропорциональная

скорости пере­

мещения х

сила

позиционной

нагрузки

Fn , пропорциональная

£

а также сила

сопротивления

Fc ,

не зависящая

от

х

На основании второго закона Ньютона можно напиоать:

								(5 -21>
где	т	- приведенная масса движущихоя частей;
кй и кп- коэффициенты пропорциональности.
			Уравнениям (5.20) и (5.21) соответствует
	* P .y S n		отруктурная		схема,	показанная на рис.5.19.
			Движущая сила F0 должна превышать оилу
		h	сопротивления Fc :
			Кроме того,		сиотему		проектируют так,	что
Рис.5.18. Зави­
симость		перепа­			Fd>knx + Fc			(5.22)
да давления и
движущей силы			при любом возможном				X .
от перемещения
золотника			Если указанные условия соблюдены, харак­
тер движения поршня (штока)				при смещении золотниковой				пары
( h Ф 0)		будет следующим: скорооть движения поршня увеличива­
ется	до	тех пор, пока сила вязкого трения не достигнет величи­
ны х	,	при которой
			F - F - к х - к, х = 0					(5.23)
			'о	с	n	I	уст

Рис.5.19. Структурная охема гидродвигателя

Пренебрегая к х , получим

(5 .24)

Рио.5.20. Структурная охека гидродвигателя двойного дейотвия

	На рис.5.20 показана упрощенная отруктурная охека гидро-
Двигателя.
	Недостатком рассмотренной охемы гидродвигателя является
независимость				скорооти движения выходного штока от величины
управляющего воздействия h .
На практике применяются гид-
родвигатеяв о пропорциональ­							ем
ным регулированием скорооти
(ри с.5 .21). Роль управляюще­
го	сигнала		здеоь		выполняет
угол		поворота		d	коромыола,
связанного			о поршнями золот­
ника. При			оС а	0 поршня зо­
лотника одинаково						перекрывают
отверотия			I и 2,		в	полоотях
гидроцилиндра давления pt и
рг	равны и движение поршня
не	происходит.				коромыола		Рио.5.21. Гидродвигатель с про­
	При повороте						порциональным регулированием
( $ f		0) одно из дросоельных					скорости перемещения поршня

отверстий прикрывается, другое - приоткрывается. Воледотвие этого изменяются гидравлические сопротивления дроссельных от­ верстий, образуется перепад давления на рабочем поршне и про­ исходит его перемещение. С помощью кривошипно-шатунного меха­ низма это перемещение преобразуется во вращательное движение

выходного		вала ( 6 j< 0).
Для данной схемы можно приближенно считать, что перепад
давления	в	цилиндре пропорционален углу d :
		< 5 - 2 5 >
Зависимость (5.25) справедлива только для определенных
углов d	,	не превышающих d K . При d z d K АР не увеличива­

Рис.5.22. Зависимость пе­ репада давления от угла поворота короыасла

ется, так как одно дроссельное от­ верстие полностью закрыто, а дру­ гое - открыто. На рис.5.22 пока­ зана типичная зависимость ДР от d без учета зоны нечувствитель­ ности. Максимальное значение ДР определяется в основном величиной давления Рр , пропорционального мощности гидронаоооа.

Аналогично предыдущему соста­ вим уравнение движения поршня.По­ скольку выходом гидродвигателя являетоя угол поворота 8 , то уравнение моментов примет вид

‘

- к , $ - К» -

(5.26)

где Зпр - приведенный момент инерции подвижных чаотей. Физи­ ческий смысл других членов уравнения тот же, что и в соотно­ шении (5 .21). Зависимость момента Мд от угла d имеет такой же вид, как ДР от d (рис.5 .22). Структурная схема гидро­ двигателя изображена на рис.5.23.

Рис.5.23. Структурная охема гидродвигателя с пропорциональным регулированием окорооти перемещения поршня

Определим передаточную функцию гидродвигателя в предполо­ жении, что d < d H .

Для этого перепишем уравнение (5.26) в виде
Опо d26	A	" + , -	МС	(5.27)
	к„	dt

Из уравнения (5.27) находим

к

(5.28)

Ткрг + 1%Тр +1

гд е

Боли по условиям работы гидро-

	Рис.5 .24 .Скоростная ха­
Г =	рактеристика гидродви­
	гателя с пропорциональ­

				ным регулированием ско­
				рости перемещения поршня
Установившееся		значение скорости в		этом одучае будет
			tk	(5.30)
			*6
На рис.5.24 показана зависимость <Уус/п от d , определяемая
уравнением	(5 .30). На графике учтено		также ограничение момен­
та Мд при	d ь dK	Эта зависимость	называется скоростной

характеристикой гидродвигателя.

В электрических системах управления перемещение поршней зо­ лотника ( h или d ) осуществляется обычно электромагнитным уз­ лом управления. Часто узел управления и гидродвигатель выпол­ няются в одном конструктивном блоке, называемом электрогидравлической машиной. Электрогидравлические машины автономного пи­

тания содержат также насоо для		создания давления	рабочей
жидкости.
	Если пренебречь переходники процессами в узле управления,
то	передаточная функция машины как отношение изображения Sip)
к	изображению тока управления	р ) аналогична	полученной

передаточной функции двигателя о дросселем. Скороотная харак­ теристика машины снимается в функции тока управления и имеет такой же вид (рис.5 .24).

3. Особенности пневматических исполнительных двигателей

Как ухе указывалось, пневматические исполнительные двига­ тели строятся по такой же схеме, как и гидравлические. Они также содержат оиловой цилиндр с поршнем и дроссельное уотройотво. Уравнения движения пневмодвигателей аналогичны, по­ этому здесь нет необходимости их рассматривать. Имеются толь­ ко некоторые отличия в уравнении расхода, т .е . в зависимости перепада давления ДР в цилиндре от перемещения поршней золот­ ника ( h ): характер нарастания давления в пневмосистеме не­ сколько другой, чем в гидрооистеме, что объясняется в основ­ ном сжимаемостью газа. Однако ранее не учитывались переход­ ные процессы в магистрали "золотник-полость цилиндра", а по­

лагалось, что ДР	пропорционально о ( ( Л) . Указанная линей­
ная зависимость между установившимся значением ДР и величи­
ной смещения поршней	золотником сохраняется и в пневматиче­

ских исполнительных устройствах.

Пневмодвигатеяи могут работать на ожатом воздухе, на газе низкого давления (100 - 150 н/см^), а также на горячем газе высокого давления (1500 - 2000 н/м^). В качестве горячего га­ за высокого давления можно использовать отработанные газы ре­ активного двигателя или газы специального газогенератора.

4. Достоинства и недостатки пневматических и гидравлических двигателей

Отметим следующие		основные достоинства			гидравлических и
пневматических устройств.
I .	В о з м о ж н о с т ь			п о л у ч е н и я		б о л ь ­
ш и х	м о м е н т о в	и	у с и л и й		при компактной и
малогабаритной конструкции.			Для	примера можно сравнить		три