Основные тенденции развития АЭП и пути его совершенствования

 

Федеральное агенство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального  образования Московский государственный  индустриальный университет (ГОУ МГИУ)

Кафедра «Автоматика, Информатика и Системы управления»                                                             ____________________________________________________________

 

 

Реферат
по дисциплине «Управление электроприводами транспортных средств»                                                            ______________________________________________________________
на тему «Основные тенденции развития АЭП и пути его совершенствования »
Группа	08АП31п
Студент		Д.А. Васюхин
Руководитель работы,  должность, звание		К.Б. Алексеев

 

МОСКВА 2012

Основные  тенденции развития автоматизированного  электропривода

Анализ  продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов, опубликованных научных исследований в этой области  позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:

1. Неуклонно  снижается доля систем привода  с двигателями постоянного тока  и увеличивается доля систем  привода с двигателями переменного  тока. Это связано с низкой  надежностью механического коллектора  и более высокой стоимостью  коллекторных двигателей постоянного  тока по сравнению с двигателями  переменного тока. Доля приводов  постоянного тока сократилась  до 10…15% от общего числа приводов.

2. Преимущественное  применение в настоящее время  имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Большинство таких приводов (около 80%) — нерегулируемые. Однако, в связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты, доля частотно - регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.

Естественной  альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода  с вентильными, т.е. электронно - коммутируемыми двигателями (например: с тиристорным управлением). В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Некоторого снижения стоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.

Приводом  следующего века по прогнозам большинства  специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких - либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспечены только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области. Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов — индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с обычными приводами постоянного тока.

Вентильный  электропривод – электропривод в котором для питания двигателя и регулирования его угловой скорости используется преобразователь на управляемых электрических вентилях (например: тиристорах) и содержит: либо управляемый преобразователь частоты (например: на IGPS транзисторах), питающий двигатель переменного тока, либо управляемый выпрямитель, питающий двигатель постоянного тока.

Для большинства  массовых применений приводов (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры  и т.д.) требуется относительно небольшой  диапазон регулирования скорости (до 1:10…1:20) и относительно низкое быстродействие. При этом целесообразно использовать классические структуры скалярного управления. Переход к широкодиапазонным (до 1:10000), быстродействующим приводам станков, роботов и транспортных средств, требует применения более  сложных структур векторного управления. Доля таких приводов составляет сейчас более 7% от общего числа и постоянно  растет.

В последнее  время на базе систем векторного управления разработан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом. Отличительной  особенностью этих решений является предельно высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровых релейных регуляторов или регуляторов, работающих на принципах нечеткой логики (фаззи - логики). Системы прямого цифрового управления моментом ориентированы в первую очередь на транспорт, на использование в кранах, лифтах, робототехнике.

Усложнение  структур управления приводами потребовало  резкого увеличения производительности центрального процессора и перехода к специализированным процессорам  с объектно-ориентированной системой команд, адаптированной к решению  задач цифрового регулирования  в реальном времени (разработчику приложений по управлению новой техникой желательно знать язык программирования DELPHI или ему подобный).

Рост  вычислительных возможностей встроенных систем управления приводами сопровождается расширением их функций. Кроме прямого  цифрового управления силовым преобразователем реализуются дополнительные функции  поддержки интерфейса с пользователем (через пульт оперативного управления), а также управления технологическим  процессом.

Стремление  предельно удешевить привод, особенно для массовых применений в бытовой  технике (пылесосы, стиральные машины, холодильники, кондиционеры и т. д.), привело к отказу от датчиков механических переменных и переходу к системам бездатчикового управления, где для оценки механических координат привода (положения, скорости, ускорения) используются специальные цифровые наблюдатели (например, энкодеры). Это возможно только при высокой производительности центрального процессора, когда система дифференциальных уравнений, описывающих поведение привода, может быть решена в реальном времени.

Возросшие возможности микропроцессорной  техники привели к тому, что  при массовом производстве изделий  с объемом выпуска не менее 10000 штук в год, оказывается возможным  и экономически целесообразным создание мощных, однокристальных систем управления приводами на базе DSP - микроконтроллеров. Их стоимость при ограниченных интерфейсных функциях не превышает 10…20$.

Основные  затраты при разработке систем управления приводами приходятся не на создание аппаратной части контроллера, а  на разработку алгоритмического и программного обеспечения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пути совершенствования электропривода

I. Приближение источника движения к исполнительному органу (рис.1). Эта тенденция и в приводе подачи станка и в приводе главного движения приводит к упрощению конструкции механической части привода, увеличению ее жесткости, улучшению динамических качеств и повышению кинематической точности промежуточных передач.

В приводе  подач механические передачи сведены  к минимуму и часто вал двигателя  непосредственно может быть соединен с ходовым винтом, который является единственным механическим устройством  преобразования вращательного движения в поступательное. Применение линейных двигателей позволяет устранить и этот элемент и приложить электромеханические усилия к поступательно движущемуся узлу станка.

Аналогичные тенденции наблюдаются и в  приводе главного движения. Однако полное исключение механических передач  ограничивается малым диапазоном регулирования  электропривода с постоянной мощностью.

Исключение  механических передач (коробок скоростей  и коробок подач станков) возможно только при широком диапазоне  регулирования скорости.

Рис. 1. Приближение  источника движения к исполнительному  органу станка: а — привод с коробкой подач; б — привод с одноступенчатым  редуктором; в — прямое соединение двигателя с ходовым винтом; г — линейный электрический двигатель.

Механические  передачи задерживают и существенно  сглаживают низкие частоты, возникающие  в приводе, поэтому редуктор с  небольшим передаточным отношением по этой причине может быть полезным. В приводе роботов редуктор сохраняется, поскольку исключение механических передач и применение тихоходных двигателей, как правило, увеличивает его размеры и массу. В электромеханических промышленных роботах (ПР) двигатель и редуктор встраивают в сочленение звеньев.

Важное  значение имеет разработка электромагнитных механизмов для вспомогательных движений в станках. Функциональные, фиксирующие и другие движения могут быть осуществлены путем использования прямоходовых или поворотных электромагнитов с соответствующей системой управления.

II. Использование специальных более совершенных исполнительных двигателей. Доля специальных двигателей, предназначенных для станков и ПР, непрерывно увеличивается. Для станков необходимы двигатели, способные обеспечить необходимые статические и динамические характеристики на всем диапазоне регулирования скорости, который достигает десятков тысяч. Двигатели для станков не должны быть энергонасыщены во избежание передачи на станок тепловых и механических возмущений.

Важным  условием является оснащение двигателей вспомогательными информационными  и управляющими устройствами, такими, как тахогенератор, датчик угла (резольвер), тормоз и тепловая защита.

III. Совершенствование полупроводниковой элементной базы. Совершенствование электропривода тесно связано с развитием полупроводниковой техники, являющейся базой для создания силовых преобразователей и схем управления. Происходит непрерывное улучшение технических характеристик тиристоров, которые являются основным силовым элементом электропривода, но обладают ограниченным управлением. Создаются более перспективные, полностью управляемые транзисторные силовые преобразователи. Непрерывное повышение степени интеграции полупроводниковых устройств выражается в создании силовых полупроводниковых модулей, что позволяет повысить надежность преобразователя, уменьшить его размеры и упростить монтаж. Важным направлением развития элементной базы является создание специализированных интегральных схем для системы управления приводом – так называемых драйверов. Такие схемы включают в себя устройства управления силовыми тиристорами, регуляторы привода, блоки токоограничения и др.

IV. Расширение функциональных свойств электропривода. Функции, которые выполняет электропривод, непрерывно расширяются. Если раньше электропривод считался источником равномерного движения, а все сложные взаимосвязанные перемещения формообразования выполнялись механизмом станка, то в настоящее время положение резко изменилось.

В современных  станках редко применяют мальтийские  кресты, неполные зубчатые колеса и  другие сложные механизмы для  движений с остановками и точным позиционированием, так как их функции  выполняет электропривод. При этом гибкая система управления обеспечивает оптимальные значения ускорений  в электромеханической системе  станка при необходимой точности позиционирования.

Электропривод все в большей степени контролирует и ограничивает нагрузки в элементах  конструкции станка, что позволяет  предотвратить его аварию, контролировать поломку инструмента, уровень силового воздействия в зажимных устройствах  и др.

Повышение быстродействия и точности электропривода приводит к тому, что все большее  число сложных взаимосвязанных  движений деталей и инструмента  осуществляется только с помощью  электропривода. Наиболее распространенной является функциональная связь нескольких приводов подачи. Такие связи следящих приводов широко используют в станках  с ЧПУ. Более сложные функциональные зависимости осуществляют для связи  привода главного движения и подачи. В этом случае привод подачи должен обладать превосходными динамическими  характеристиками.

Задача  обеспечения взаимосвязанных движений с помощью электропривода решена не полностью. Здесь необходимо учесть высокую точность обработки деталей, которая характеризуется относительной  погрешностью 10-4...10-6, что накладывает соответствующие требования на точность воспроизведения электроприводом управляющих движений. Кроме того, для получения качественного изделия необходимо обеспечить инвариантность привода к многочисленным возмущениям, сопутствующим технологическому процессу. Механические кинематические цепи обладают несомненным преимуществом — высокой динамической жесткостью, и системы электропривода уступают им в этом отношении. Дальнейшее развитие принципа инвариантности, создание приводов с комбинированным управлением несомненно позволят ликвидировать этот недостаток.

V. Увеличение объема информации, поступающей в систему электропривода. Совершенствование систем автоматизированного электропривода связано с непрерывным увеличением объема перерабатываемой информации. Информационные устройства (датчики) в системе электропривода можно разбить на несколько групп. Наибольшее значение имеют датчики параметров движения: скорости и перемещений или угла поворота вала. В системах адаптивного управления необходимо обрабатывать информацию о скорости резания, подаче, перемещениях и деформациях элементов станка, силах резания. Используется также информация, характеризующая режим работы системы электропривода: напряжение сети, ток двигателя и нагрев обмоток. Специфика метрологического обеспечения электропривода связана с огромным диапазоном регулирования скорости. Датчики параметров движения (пути и скорости) имеют лучшие метрологические характеристики в верхней части этого диапазона, на которой осуществляются малоточные вспомогательные перемещения. Рабочие подачи относят к нижней части диапазона регулирования скорости, но здесь точностные параметры датчиков значительно хуже.