Теоретическая часть. К двигателям, входящим в состав современного электропривода, предъявляются следующие требования:

К двигателям, входящим в состав современного электропривода, предъявляются следующие требования:

· хорошие пусковые и регулировочные характеристики

· отсутствие необходимости в обслуживании

· высокие удельные показатели

В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют вентильные двигатели - магнитоэлектрические синхронные машины на базе машинно-вентильных систем (синхронный двигатель с датчиком положения ротора + инвертор). Синхронный двигатель представляет собой обращенный двигатель постоянного тока, в котором неподвижный статор является якорем, а вращающийся ротор на постоянных магнитах – источником магнитного поля. Такая конструкция позволила совместить в одном устройстве преимущества коллекторного двигателя постоянного тока и синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов (рисунок 1).

Рисунок 1

Обмотки статора синхронного двигателя получают питание от источника постоянного тока U_d через автономный инвертор с шестью управляемыми транзисторными ключами. Ключи инвертора управляются сигналами блока управления, в которых содержится информация о положении ротора по отношению к статору. Эта информация вырабатываются датчиком положения ротора (ДПР), который служит для определения взаимного положения магнитной оси ротора и результирующей магнитной оси статора. ДПР делятся на две группы: дискретные (импульсные, цифровые) и непрерывные (вращающиеся трансформаторы, редуктосины). Наибольшее распространение получили датчики оптического, гальваномагнитного и индукционного типа. В данной работе используются датчики гальваномагнитного типа (три элемента Холла – ДХ_а, ДХ_в, ДХ_с), встроенные в корпус двигателя. В зависимости от алгоритма формирования инвертором токов статора используются вентильные двигатели постоянного тока и вентильные двигатели переменного тока.

В вентильных двигателях постоянного тока (в отечественной литературе принято название БДПТ – бесконтактный двигатель постоянного тока) используется «трапецеидальный способ» формирования токов статора. Название способа обусловлено трапецеидальной формой фазных ЭДС вращения двигателя. Вентильные двигатели постоянного тока получили широкое распространение в промышленных системах автоматики, приводах станков, тяговом приводе и бытовых устройствах благодаря своим преимуществам по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями:

· отсутствие коллекторно-щеточного узла

· жесткие механические характеристики

· высокое быстродействие

· высокий КПД

· большой срок службы

· низкий уровень шума

· широкий диапазон скоростей

· высокие удельные показатели.

В вентильных двигателях переменного тока используется «синусоидальный способ» формирования статорного тока с помощью алгоритмов «векторного управления». Благодаря синусоидальному характеру фазных ЭДС вращения и малым пульсациям вращающего момента такие двигатели применяются в глубоко регулируемых и прецизионных системах электропривода, приводах подач металлорежущих станков и измерительных установках.

В данной работе рассмотрен вентильный двигатель постоянного тока. Далее по тексту, для его описания будет использовано обозначение - БДПТ (бесконтактный двигатель постоянного тока).

Как было показано выше (рисунок 1), БДПТ является обращенным двигателем постоянного тока, в котором неподвижный статор является якорем, а вращающийся ротор на постоянных магнитах – магнитоэлектрическим индуктором. ДПР, блок управления и инвертор являются электронным аналогом коллекторно-щеточного узла. Трехфазная обмотка статора выполнена подобно статору асинхронного двигателя и соединена в звезду. Ротор БДПТ выполнен на постоянных магнитах и может иметь от двух до восьми пар полюсов. Материал ротора выполнен на основе сплавов редкоземельных металлов с высокой коэрцитивной силой: самарий-кобальт (Sm–Co) и неодим-железо-бор (Nd–Fe–B), благодаря чему достигнуты высокие удельные показатели БДПТ. На рисунке 2 приведены примеры расположения постоянных магнитов в поперечном сечении ротора БДПТ.

БДПТ является разновидностью синхронного двигателя. Как известно, статор синхронного двигателя запитывается трехфазной системой токов. Управляя этими токами, можно изменять направление и величину магнитного поля трех обмоток. При этом вращающий момент двигателя является результатом взаимного притяжения или отталкивания магнитных полей статора и постоянного магнита ротора.

Рисунок 2

Для любого положения ротора с точки зрения получения максимального значения вращающего момента существует оптимальное положение вектора поля статора относительно вектора поля ротора. Если направление векторов этих двух полей совпадает, то момент равен нулю. Момент максимален, если угол между векторами этих полей равен 90°, т.е. они ортогональны.

Если произвольный вектор вращающегося поля статора разложить на две составляющие, одну параллельно вектору поля ротора, другую ортогонально, то момент будет создаваться только ортогональной составляющей этого вектора. Алгоритм работы инвертора должен быть таким, чтобы для любого момента времени ортогональная составляющая вектора магнитного поля статора была максимальной, а прямая составляющая минимальной.

Результирующее магнитное поле статора есть сумма магнитных полей фаз обмоток статора, сдвинутых относительно друг друга на 120°. Чтобы изобразить на плоскости трехфазную систему токов статора, вводится понятие «пространственный вектор тока».

На рисунке 3 изображены пространственные векторы фазных токов статора для определенного момента времени: фаза А – i_a, фаза В – i_b, фаза С – i_c. Направление векторов тока совпадает с направлением вектора магнитного поля, созданного этим током, а длина вектора пропорциональна амплитуде тока в этой обмотке. На рисунке также изображена векторная сумма фазных токов; этот вектор I_s называют «результирующий пространственный вектор» тока статора, который и создает результирующее магнитное поле статорной обмотки.

Рисунок 3

Этот вектор можно разложить на прямую и ортогональную составляющие, т. е. по осям d и q. Таким образом, алгоритм формирования статорных токов i_a, i_b, и i_c должен быть таким, чтобы в произвольный момент времени результирующий пространственный вектор статорного тока был ортогонален по отношению к прямой оси магнитного поля постоянного магнита, т. е. направлен по оси q. В этом случае вращающий момент двигателя будет пропорционален только амплитуде тока статора.

При трапецеидальном способе коммутации в каждый момент времени к источнику напряжения U_d инвертор подключает две обмотки статора, третья разомкнута. Датчики Холла фиксируют положение ротора в пределах 60-градусных секторов. Так как в каждый момент времени токи двух обмоток равны по величине, а в третьей обмотке тока нет, то результирующий вектор тока статора занимает шесть фиксированных положений. В процессе вращения ротора обмотки коммутируются через каждые 60°, поэтому результирующий вектор всегда находится в пределах 30° относительно оси q.

Таблица 1 – Трапециидальный способ коммутации

В таблице 1 приведены шесть различных положений ротора и соответствующий код на выходе ДПР, а также логические уровни, поступающие с выхода блока управления на транзисторные ключи инвертора. Как видно из таблицы, на каждом шаге блок управления выдает такую комбинацию напряжений u1…u6, при которой включены только два ключа инвертора, и к источнику напряжения подключены две из трех обмоток статора.

На рисунке 4 приведена временная диаграмма работы при трапецеидальном способе коммутации. Из диаграммы следует, что кривая выходного напряжения и соответственно тока имеет ступенчатую форму.

Рисунок 4

На рисунке 5 показаны направления фазных токов двигателя, согласно данным таблицы 1, на каждом из шести шагов (состояний) инвертора.

Вращающий момент БДПТ пропорционален величине фазного тока. Для регулирования частоты вращения вала двигателя необходимо менять величину фазного тока в соответствии с требуемым вращающим моментом. Изменение фазного тока реализуется с помощью метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) импульсов, переключающих транзисторные ключи инвертора. Например, переключающий импульс u₂ (по рисунку 4) будет иметь следующий вид (рисунок 6). В течение состояний инвертора 2 – 3 напряжение u₂ представляет собой ШИМ-импульсы, переключающиеся с высокой частотой, которая на порядок выше частоты напряжения питания статора. Посредством изменения скважности этих импульсов регулируется величина среднего напряжения, приложенного к фазам двигателя. Таким образом регулируется величина фазного тока статора, а значит вращающий момент и частота вращения вала двигателя.

Вращающий момент БДПТ создается в результате взаимодействия результирующего магнитного поля статора и ортогональной составляющей потока ротора. Поворот ротора приводит к срабатыванию ДПР, по команде которого блок управления БДПТ переключает обмотки и результирующий магнитный поток статора поворачивается на следующий шаг. Таким образом, происходит самосинхронизация БДПТ с помощью ДПР, поэтому частота вращения поля статора пропорциональна частоте вращения ротора, которая, в свою очередь, пропорциональна величине фазного тока статора, то есть величине среднего напряжения, приложенного к фазам двигателя. Очевидно, что регулирование частоты вращения вала в БДПТ происходит так же, как в коллекторном двигателе постоянного тока, то есть посредством изменения величины напряжения питания якоря.

Среднее значение электромагнитного момента БДПТ зависит от периода b (рисунок 4). Выражение для среднего значения электромагнитного момента БДПТ:

,

где M* и w* - относительные момент и частота вращения:

где m – число секций обмотки якоря;

R – сопротивление секции;

К_ЭМ – конструктивный электромагнитный коэффициент двигателя.

Выражение для механической характеристики БДПТ:

,

где

Приведенные на рисунке 7 механические характеристики БДПТ с разомкнутой обратной связью по частоте вращения подобны характеристикам двигателя постоянного тока. При замыкании обратной связи по частоте вращения характеристики принимают вид, как на рисунке 8, что соответствует одно- или двухконтурному электроприводу с БДПТ. Динамические характеристики БДПТ подобны характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Передаточная функция БДПТ:

где - коэффициент передачи двигателя;

- электромеханическая постоянная времени;

- момент инерции ротора.

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8