Разработка электропривода системы дозирования связующего материала

Рисунок 8. Габаритные размеры FL60STH86-2008.

Согласно рекомендациям  для ШД, номинальный крутящий момент должен быть примерно равен двум требуемым максимальным моментам, чтобы иметь требуемый пусковой момент и обеспечить необходимую функциональность по всем параметрам и характеристикам в процессе работы ЭП. Данный двигатель удовлетворяет данному условию (см. табл. 1,2 и рис. 7).

По габаритам, о которых  было сказано ранее, данный аналог также  удовлетворяет требованиям к  электроприводу системы дозирования  СМ (см. рис. 8). Однако масса привода (табл. 1) будет составлять 10% от всей массы РО, что нежелательно.

Использование ШД в перистальтических  насосах не редкость. Например, насос  перистальтический LOIPLS-301 [8]. Он используется для перекачки и дозирования вязких и агрессивных жидкостей, жидкостей высокой плотности, что схоже с задачей нашей системы дозирования СМ.

Также, в случае уменьшения значений требуемых параметров, что  возможно после получения результатов  экспериментальных исследований, есть другие подходящие аналоги ШД, которые  значительно меньше по массогабаритным  показателям. Например, шаговые двигатели  серии FL57ST и FL57STH, параметры которых  изложены в таблице 3[10].

Таблица 3. Параметры шаговых двигателей серии FL57ST.

Из таблицы 3 следует, что при меньших крутящих моментах есть возможность использовать более легкие ШД, что является одним из главных требований к электроприводу системы дозирования СМ.

 

5.    Допустимая модель пьезоэлектрического двигателя

 

После изучения российского и зарубежного рынка пьезоэлектрических двигателей (ПЭД), был найден только один приблизительно подходящий ПЭД корейской компании RebeckEnterprise, модель RUSM-60 [9].

Рис. 9.  Пьезоэлектрический двигатель RUSM-60

 

Таблица 4. Параметры RUSM-60 [9].

 

Параметр	Значение
Номинальная мощность	5 Вт
Диапазон скорости вращения	1-150 об/мин
Диапазон развиваемых  моментов	0-1.2 Н∙м
Тормозной момент	>2 Н∙м
Время разгона	<8 мс
Время торможения	<6 мс
Направление вращения	По часовой/против часовой
Ресурс	3000 ч
Диапазон температур при  работе	-10 oC - +60 oC
Диапазон температур при  хранении	-20 oC - +60 oC
Допустимая влажность	<90%
Вес	250 г

 

Рисунок 10. Габаритные размеры RUSM-60.

 

Из таблицы 4 следует, что по значению момента данная модель ПЭД подходит под рассчитанные выше параметры. Хотя скорость вращения и недостаточна, стоит сказать, что рассчитанная скорость маловероятна, т.к. очень высока для перистальтического насоса. Поэтому окончательно судить об использовании данной модели ПЭД можно будет после анализа результатов эксперимента, необходимость которого в очередной раз подтверждается. Исходя из таблицы 4 можно сказать, что у данной модели масса значительно меньше аналога рассмотренного ранее шагового двигателя, что является неоспоримым преимуществом. Согласно таблице 4, ресурс данной модели ПЭД также велик (3000ч). Габаритные размеры малы и подходят по предварительному анализу отведенного пространства для системы дозирования СМ [5]. Время старта и торможения мало, что является также преимуществом перед ШД.

Его основные достоинства, описанные  производителем, следующие [9]:

1. Выдача большого крутящего  момента и при низкой и при  высокой скорости;

2. Быстрая реакция, хорошая  управляемость, высокая точность  управления;

3. Небольшой размер, простота  конструкции, большой крутящий  момент;

4. Большой самоблокирующийся  крутящий момент, что даёт фактически моментальную остановку;

5. Отличная электромагнитная совместимость, и не чувствительность к магнитному полю, отсутствие магнитного поля интерференции;

6. Низкий уровень шума;

7.  Низкое напряжение  питания, может быть использован для портативных устройств.

 

6. Вывод по электроприводу

Произведен предварительный анализ подходящих типов электроприводов. Если на первый взгляд сравнить ШД и ПЭД, то преимущества пьезоэлектрического двигателя очевидны. Больший пусковой момент, малое время установления необходимой частоты вращения, очень малые габариты и пр. Но если посмотреть на поставленные требования, то можно сказать, что гибридный шаговый двигатель удовлетворяет всем предъявляемым требованиям. Не идеально, но существуют пути решения, чтобы исключить большинство недостатков ШД. Также, у ШД есть одно неоспоримое преимущество – диапазон скоростей вращения очень велик (рис. 7). Даже при максимальной необходимой частоте вращения (3.1 об/сек) двигатель будет работать в оптимальном режиме нагрузки и с высокими показателями момента (рис. 7). 

По ценовым показателям  не удалось сравнить данные типы двигателей, но, по выработанному ресурсу, шаговый  двигатель значительно опережает  ПЭД. Возможно, не были учтены многие зарубежные образцы пьезоэлектрических двигателей, но, исходя из изученных WEB-ресурсов иностранных компаний, занимающихся данной технологией, ПЭД нашли применение в основном для микро и нано систем, где их показатели неоценимы и где им нет конкуренции. Если грамотно подобрать к ШД драйвер управления (будет рассмотрено далее), то многие его недостатки, такие как пропуск шага или резонанс, не допускаются. Но по такому важному показателю как масса преимущество у ПЭД.

Поэтому, чтобы сделать  обоснованный выбор, необходимо проведение экспериментальных исследований, чтобы  получить более точные значения параметров двигателя, которые являются явно завышенными  и слишком приблизительными, чтобы  затем оценить допустимые значения скорости вращения и момента, и только после этого будет возможен обоснованный выбор, основанный на фактических данных.

 

4. Система управления электроприводом

 

Система управления электроприводом представляет собой программно-аппаратное устройство, которое на основании заложенной в него программы, автоматически регулирует  весь процесс функционирования электропривода. В системе управления главной составляющей является драйвер управления электроприводом. Для начала необходимо выбрать драйвер управления ЭП, который будет решать определенные технические задачи, необходимые для выполнения требований, поставленных перед системой дозирования СМ, а в частности, перед электроприводом. После выбора драйвера предстоит выбор блока питания, который имеет свои особенности.

 

Задачи перед драйвером  управления электропривода следующие:

1. Должен осуществлять регулирование скорости вращения электроприводом.
2. Простой и доступный способ введения программы регулирования дозирования СМ во внутреннюю память контроллера драйвера управления. Возможность удаленного доступа к перепрограммированию драйвера управления с ПК.
3. Должен быть многозадачным, чтобы параллельно выполнять несколько требуемых от него функций, например, регулирование, слежение и пр.
4. Требуется быстродействие от драйвера управления ЭП, чтобы исключить возможность перерегулирования электропривода.
5. Должен повышать качество выполнения поставленных перед электроприводом задач. Например, у ШД некоторые драйвера позволяют дробить шаг, чтобы повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования, что повышает качество регулирования скорости вращения электропривода[11].
6. Должен быть минимален по массогабаритным показателям, или же иметь возможность его установки вне РО, что недолжно повлиять на выполняемые ими функциями и качество их исполнения.

 

Структурная схема системы  управления представлена на рис. 11:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11. Система управления электроприводом системы дозирования  СМ.

Управляющая программа определяет траекторию движения РО на формообразующей  поверхности и скорость движения по этой траектории, подавая задающее воздействие F на устройство управления манипулятором. При движении по траектории, управляющей программой также задается скорость вращения ЭП системы дозирования, тем самым регулируется подача СМ. Эта скорость согласована со скоростью движения материала в зону выкладки. Поэтому регулирование скорости ЭП системы дозирования определяется по двум параметрам: скоростью движения ленты в зону укладки и заданным соотношением масс армирующего и связующего материалов.

Рассмотрим теперь средства реализации системы управления ЭП системы  дозирования СМ.

После изучения российского  и зарубежного рынка как ШД и ПЭД электроприводов, так и блоков управления к ним, сделано заключение о том, что ШД имеют огромный выбор блоков управления к ним, в отличии от ПЭД. Например, для выбранного подходящего аналога ШД имеется минимум 4 предназначенных для такой модели ШД драйвера управления [11].

 

Например: драйвер шагового двигателя G210X[12] (рис. 12 [12]).

Рисунок 12. Внешний вид и габаритные размеры G210X.

 

Таблица 5. Назначение контактных клемм G210X.

 

 

Он имеет следующие  особенности:

1. Режимы работы (деления шага): целый шаг, 1/2, 1/5 и 1/10 шага;
2. Режим управления вращением STEP/DIR;
3. Универсальные двухполярные оптоизолированные входы управляющих сигналов STEP/DIR;
4. Компенсация среднечастотного резонанса;
5. Подавление низкочастотных вибраций;
6. Функция «морфинга» (плавный переход в режим целого шага на высоких частотах вращения для увеличения крутящего момента) и плавного пуска двигателя;
7. Адаптивная рециркуляция тока в обмотках ШД, обеспечивающая минимальный нагрев ШД и драйвера;
8. Снижение тока в обмотках ШД до 71% от установленного, при простое более 1 секунды;
9. Установка режимов работы и тока обмоток DIP-переключателем.

 

Таблица 5. Параметры G210X.

Как видно из особенностей и параметров данного драйвера, он удовлетворяет всем поставленным задачам  перед системой управления ЭП.

 

Что касается ПЭД,  то для представленной модели система управления ЭП  можно представить следующим образом (рис. 13) [9]:

 

Рисунок 13. Система управления ПЭД.

Источник питания формирует  два управляющих напряжения с той же амплитудой, той же частоты и 90 ° разностью фаз на А-фазу и B-фазу пьезоэлектрической керамики. Если одно из них обратно, двигатель будет вращаться в противоположном направлении. Существует неэнергетический отдел D на пьезоэлектрической керамике, известный как полюс обратной связи. Напряжение, генерируемое на него, отражает вибрацию на статоре, и подается обратно в генератор частоты в режиме реального времени. Данная корректировка сохраняет стабильной скорость двигателя.

Питание осуществляется от источника питания 12 вольт постоянного тока через вход интерфейса J5 (рис. 14 [9]). Подключение к двигателю осуществляется через интерфейс J7, который используется для подачи управляющего напряжения и принятия сигнала обратной связи от полюса обратной связи.

 

Рисунок 14. Назначение входов блока управления ПЭД.

Когда перемычка J2 на 1-2, это  ручной режим управления. Панель управления показана на рис.15[9]. Переключатель может контролировать направление вращения двигателя; регулятор может управлять скоростью двигателя.

Рис. 15. Панель ручного управления скоростью вращения ПЭД.

Когда перемычка J2 на 2-3, это  режим управления компьютером и J3 используется для управления двигателем. Клемма 1 соединяется с землей, клемма 2 получает напряжение 5В или 0В для осуществления запуска и остановки двигателя, клемма 3 получает напряжение 0 В или 5 В для управления вращением по часовой или против часовой стрелки двигателя, клемма 4 получает напряжение от 1,5 В до 3.5V что контролирует скорость вращения двигателя. Чем выше напряжение, тем выше скорость вращения. Когда напряжение 3,5 В, скорость вращения максимальна. Данное напряжение будет подаваться от СУ манипулятором, как видно из структуры системы управления ЭП (рис. 11). Т.к. регулирование скорости осуществляется напряжением, то необходимо использовать соответствующий цифро-аналоговый преобразователь.

Таким образом, можно сказать, что блок управления электроприводом  для ШД является распространенным на российском рынке, и существуют такие  компании, как НПФ «АТОМ», в Санкт-Петербурге, которые могут предоставить широкий ассортимент интересующей нас продукции.  Что касается пьезоэлектрических двигателей, то тут все оказалось сложнее и описание способа управления ПЭД основано  только на руководстве по эксплуатации к рассматриваемой модели ПЭД, другой информация не была найдена. Выбор ШД значительно упростит создание такой подсистемы как блок управления электроприводом, потому что для шаговых двигателей существует целый набор предназначенных для них различных драйверов управления и блоков питания, в то время как ассортимент драйверов ПЭД крайне узок, что затруднит ремонтопригодность.