Analiza konstrukcji napędu bezpośredniego działania

Analizując naukowo-techniczną literaturę, można sprowadzić podstawowe zasady projektowania precyzyjnych współrzędnościowych systemów pozycjonu-jących, opartych na liniowych silnikach krokowych do następujących punktów [24]:

Parametr J.m. Wartość

Maksymalny rozmiar

statora ^{[mm] 1000x1500}

Ilość faz [szt.] _{2; 4; 3}

Wartość prądu sterującego [A] ^1,5±0,15; 3±0,3 Maksymalna prędkość [m/s] _1÷1,5 Maksymalne przyspieszenie ^[m/s 2] _20÷30 Powtarzalność [mm*10-3] ₃ Dokładność pozycjonowania ^[mm*10 -3] ^{±5; ±10;} ±15 Rozdzielczość [mm*10-3] 0,01; 0,1; 1,0; 5,0; 10,0 Szczelina powietrzna [mm*10-3] _15±2

Zakres temperatury pracy [0C] _5÷35

każdy elementarny pozycjoner, wchodzący w skład mechatronicznych, współrzędnościowych systemów przemieszczeń, powinien posiadać auto-nomiczne kanały do sterowania i zasilania, w celu realizacji zamierzonych technologicznie charakterystyk (przesunięcie, dokładność, prędkość, przy-spieszenie), niezależnie od innych pozycjonerów;

korpus pozycjonera powinien mieć minimalną masę, przy warunku mak-symalnej twardości i wytrzymałości, zapewniać stabilność geometrycz-nych i roboczych parametrów powierzchni współrzędnościowego układu przemieszczeń;

stworzenie urządzeń wykorzystujących dokładne pozycjonery z założoną liczbą stopni swobody powinno być optymalne pod względem: niezależ-nych przestrzeni kinematyczniezależ-nych oraz konstrukcji układów współrzędno-ściowych.

Główna zasada przy budowie współrzędnościowych systemów pozycjonu-jących na liniowych silnikach krokowych zawiera się w budowie systemu magne-tycznego, zapewniającego kolejne wytyczanie stref zębów biegunów albo grup biegunów induktora. W procesie komutacji uzwojenia układ magnetyczny powi-nien zapewniać jednakowe strumienie magnetyczne stref zębów napędu (magne-tyczną symetrię) dla wyeliminowania drgań amplitudy jego siły ciągnącej [20, 21]. Współrzędnościowe moduły elektromagnetyczne w wieloosiowym napędzie krokowym, budowane są z jednakowych elektromagnetycznych modułów. Ele-menty współrzędnościowego układu podzielić można na [24]:

elementarny moduł - układ magnetyczny z zębowymi biegunami, fazo-wym uzwojeniem albo fazofazo-wym uzwojeniem sterującym i źródłem wzbu-dzenia (którymi mogą być same uzwojenia fazowe, opływające stałą skła-dową prądu); elementarnego modułu nie można rozdzielić na jednakowe części;

moduł fazowy - składa się z jednego lub kilku elementarnych modułów; składa się z minimalnej i dostatecznej liczby biegunów zębowych (z wza-jemnym przesunięciem zębów), ze źródła wzbudzenia i uzwojeń fazo-wych, przy komutacji, których następuje samoistne przemieszczenie mo-dułu fazowego, wzdłuż osi prostopadłej do nacięcia zębów.

Współrzędnościowe, elektromagnetyczne moduły zawierają minimalnie dwa moduły fazowe, rozłożone symetrycznie w stosunku do środka masy. Przy czym w przypadku wzrostu liczby faz (na przykład z dwóch do n) dokładamy identyczne moduły fazowe z wzajemnym przesunięciem zębów w stosunku do pierwszego umiejscowionego. W celu zwiększenia siły ciągnącej dla przypadku prostego dokłada się moduły fazowe bez wzajemnego, przesunięcia względnego.

Elementarne moduły fazowe swoją konstrukcją i założonym sposobem przedstawienia siły ciągnącej określić można według typu i konstrukcyjnych oso-bliwości całego współrzędnościowego układu. Jako układ synchroniczny, fazowe moduły mogą być: aktywne, reakcyjne, induktorowo – reakcyjne i induktorowe [24]. Analiza porównawcza różnych typów fazowych modułów pokazuje, że

we-7. Analiza aparatu ruchowego pozycjonera

dług wielkości dobroci dynamicznej (w odniesieniu do maksymalnej siły ciągnącej do masy modułu), maso-gabarytowym i energetycznym wskaźnikom najlepszy jest induktorowy moduł fazowy ze wzbudzeniem od magnesu stałego. Do niedo-statków konstrukcji można zaliczyć: wzrost ceny przy wysokiej jakości magnesie stałym (wykonanym z drogich stopów metali ziem rzadkich) oraz obecność prze-strzennej krzywej momentu synchronizującego drugiej harmonicznej (nawet przy nieobecności nasycenia obwodu magnetycznego), zmniejszającej dokładność pozycjonowania. Wobec tego, że zniekształcenia przestrzennej krzywej siły są niewielkie i znane są metody przeciwdziałania nim, a także w związku z tym, że prędkość przemieszczania napędu okazuje się jednym z istotniejszych parame-trów, wieloosiowe napędy krokowe na bazie modułów induktorowych ze wzbu-dzeniem pochodzącym od stałych magnesów znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle.

Wyniki takiej analizy są podstawą do wyboru (w rozumieniu bazowych) właśnie induktorowego modelu ze wzbudzeniem od magnesu stałego [9, 24, 52]. Elektromagnetyczne moduły z magnesami stałymi mogą występować w różnych wariantach konstrukcyjnych rozwiązań, tj. ze względu na rozłożenie uzwojeń oraz magnesów stałych. Główne konstrukcyjne realizacje przedstawiono na rys. 49-51. Schematy elektromagnetycznych modułów z górnym położeniem stałych magnesów wzbudzających (rys. 49, 51) charakteryzują się tym, że każdy elemen-tarny moduł, zawiera dwa Π - kształtowe magnetowody z uzwojeniami fazowy-mi. Wyposażony jest w dwa pionowo rozłożone magnesy wzbudzające, powiąza-ne ze sobą jarzmem. Jeżeli każdy elementarny moduł zawiera uzwojenia dwóch faz, rozłożone na różnych Π - kształtowych biegunach nie rozszczepialnie lub rozszczepialnie, to te elementarne moduły okazują się równocześnie fazowymi. Przy komutacji dwóch faz różnobiegunowymi impulsami prądu albo prądami si-nusoidalnymi z przesunięciem fazowym odpowiednio na ωt =π/2 (szczegółowo będzie o tym napisane dalej) fazowe moduły samodzielnie przemieszczają się. Na-stępuje to wzdłuż powierzchni zębowej płyty induktora prostopadle w stosunku do nacięcia zębów.

Na rys. 51 zamieszczono przykład modułu fazowego z liczbą faz m=2, składającego się z dwóch elementarnych modułów. W każdych z nich wyróżnić można uzwojenie fazowe. Wzajemnie przesunięcie zębów na każdym biegunie, określone są w radianach. Przejście od kąta ϕ radianów do realnej odległości x określone jest zależnością

π ϕ τ 2 ⋅ = x .

Wariant modułu fazowego, składającego się z dwóch elementarnych modu-łów z jednym fazowym uzwojeniem każdy, jest bardziej dogodny od wariantu z dwoma uzwojeniami. Wynika to z powodów ekonomicznych – używana jest do produkcji miedź. Przegrywa jednak w przypadku, kiedy zależy na minimalizacji rozmiarów modułu. Wyjaśnia to fakt, że rozmiary Π - kształtowych rdzeni mogą być optymalizowane z pozycji otrzymania maksymalnych wartości mocy i

do-broci dynamicznej. Wtedy aby osiągnąć takie rozmiary (z pomocą konstrukcji z rys. 49, 51) musimy minimalnie rozciągnąć współrzędnościowy moduł wzdłuż osi przemieszczenia [9].

Jeżeli chcemy zbudować współrzędnościowy moduł z rozciągnięciem [9], bazując na konstrukcji z rys. 49, 52 okaże się, że należy dwukrotnie skrócić roz-miar magnetowodu, co pociąga za sobą znaczne pogorszenie charakterystyk oraz wpływa na samą technologię produkcji.

Konstrukcja elementarnych modułów fazowych z górnych rozłożeniem magnesów wzbudzających, pozwoliła na zastosowanie niedrogich magnesów. Wysokość modułu jest w tym wypadku dosyć duża, a w związku z tym układ z jarzmem posiada niewielkie zastosowanie.

Najbardziej „wygodną” okazuje się konstrukcja z rozdzielającymi magne-sami wzbudzenia, pokazana na rys. 49, 51 [51]. Najlepsze masowo-gabarytowe charakterystyki osiągane są przy układzie z rozdzielającym rozłożeniem wysoko-efektywnych magnesów o dużej energii. Takimi właściwościami odznaczają się magnesy wykonane ze stopów metali ziem rzadkich SmCo i FeNiBr.

Rys. 52. Układ z jednofazowymi modułami z jarzmem

Rys. 49. Dwufazowy moduł z rozdzielającym magnesem Rys. 50. Dwufazowy moduł z jarzmem

Rys. 51. Układ z jednofazowymi modułami rozdzielonymi magnesami

0 ₂¹ ₄¹ ₄³ 0 ₂^{1 1}_{4 4}³ 0 ₂¹ 0 ₂¹ ₄¹ ₄^{3 1}_{4 4}³ 0 0 2 1 2 1 4 1 4 1 4 3 4 3

7. Analiza aparatu ruchowego pozycjonera

Porównanie zalet i niedostatków typów modułów z rozdzielającym poło-żeniem magnesów prowadzi do następujących stwierdzeń [9, 24]:

rozstaw uzwojeń fazowych na zewnętrznych biegunach albo jarzmie ma-gnetowodu pociąga za sobą wibracje pierwszej (głównej) harmonicznej przestrzennej krzywej siły ciągu, w zależności od podłączenia w danym momencie magnesu i uzwojeń fazowych; wobec tego, w przestrzennej krzywej siły ciągu widoczny jest udział drugiej składowej harmonicznej, co nieznacznie wpływa na dokładność pozycjonowania napędu;

rozłożenie fazowych uzwojeń na wszystkich biegunach magnetowodu usuwa drgania amplitudy głównej harmonicznej przestrzennej krzywej siły ciągu, jednakowo wpływając również na drugą składową harmoniczną;
moduł fazowy (rys. 51), składający się z dwóch elementarnych modułów

z uzwojeniami fazowymi, obejmujący parami wewnętrzne bieguny ma-gnetowodów praktycznie nie posiada takich niedostatków; wobec tego moduł ten posiada małe rozciągnięcie uzwojeń fazowych, co sprawia, że wzrasta intensywność elektromagnetycznych procesów przejściowych; do niedostatków tego typu konstrukcji wymieniona wcześniej trudność stwo-rzenia kompaktowych modułów współrzędnościowych.

Wobec tego, taka konstrukcja współrzędnościowego modułu z dwoma nie-zależnymi dwufazowymi modułami okazuje się właściwą do budowy układu tłu-miącego mechaniczne drgania napędu przy postoju. W tym przypadku, w ciągu całego cyklu tłumienia jeden z dwufazowych modułów wykorzystuje się jako Xodukcyjny sensor prędkości (według jego sygnałów przełącza się fazy drugiego modułu), który jest regulowanym elementem (obiektem) układu tłumienia.

Przeprowadzona analiza pozwala, według parametru masowo-gabarytowego i dokładnościowych wskaźników, zasadnie wybrać typ XoXmentarznych i fazowych modułów, na bazie których można zbudować współ-rzędnościowe napędy. Ważnym wynikiem takiej analizy elementarnych modu-łów okazuje się przedstawione stwierdzenie: ponieważ współrzędnościowy mo-duł, niezależnie od typu elementarnego modułu odzwierciedla się przy pomocy zwiększania liczby tych modułów (w funkcji potrzebnej siły ciągu), więc optyma-lizacja współrzędnościowego modułu według głównych właściwych wskaźników (dobroć dynamiczna, właściwa siła ciągu) sprowadza się do optymalizacji jego ze-stawionych części, tj. elementarnego modułu [9, 24].