4. Инструкция по эксплуатации

4.1. Перед включением стенда проверьте правильность комму­таций на панели БР, убедитесь в свободном вращении дискового тормоза, в правильности исходного положения органов управления и контроля. Переключение цепи нагрузки ШИП выполняйте только при отсутствии на БР напряжения силовой цепи 25 В (контролируется по световой индикации "СЕТЬ" на передней панели БР).

4.2. Включение стенда выполняйте переключателем "СЕТЬ" на БП.

4.3. Напряжение управления на ШИП можно подавать от уст­ройства задания непо­средственно или через один из регуляторов. Можно использовать внешний источник сиг­нала управления с напря­жением не более +20 В.

4.4. Во всех режимах работы ток нагрузки ШИП, во избежание срабатывания за­щиты, не должен превышать 8 А.

4.5. Длительный ток нагрузки вращающегося двигателя не дол­жен превышать 4-5 А.

4.6. Для ограничения динамических нагрузок механической части привода при сня­тии частотных характеристик амплитуда вход­ного сигнала должна быть такой, чтобы макси­маль­ное значение тока на частотах наибольшей динамической нагруженности не превы­шало 2-3 А (контролируется осциллографом по сигналу с шунта в якорной цепи). Данное ограниче­ние выполняется при амплитуде частоты вра­щения менее 1500 об/мин.

4.7. Скачкообразный реверс допускается на частотах вращения не более 1500 об/мин.

4.8. Максимально допустимая величина тока якоря при работе двигателя на упор -3А.

4.9. Работа привода при отсутствии дросселей в якорной цепи допускается лишь без статического момента на валу, на время не бо­лее 30 с. Амплитуда пульсаций тока при этом составляет 6-7 А.

4.10. При срабатывании защиты по току (определяется по све­тодиодной индикации на БР) отключите питание силовой цепи 25 В переключателем на БП. После устранения при­чины перегрузки, но не ранее чем через 30 с, включите питание и возобновите работу.

4.11. Изменения частоты вращения двигателя во времени удобно контролировать ос­циллографом непосредственно по напряже­нию на клеммах тахогенератора.

4.12. При работе с двухлучевым осциллографом следует учиты­вать, что в положе­нии "минус" переключателя полярности ДТ с об­щим проводом будет соединён левый по мнемо­схеме вывод шунта в цепи нагрузки; в положении "+" - правый вывод.

У ДС в положении переключателя его полярности "минус" с общим проводом со­еди­нён левый вывод тахогенератора, а в положе­нии "+" - правый вывод.

4.13. При работе на стенде с использованием генератора и ос­циллографа их корпуса не должны иметь гальванической связи ме­жду собой и с корпусом стенда.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Цель работы

Экспериментальное исследование процессов в системе ши­ротно-импульсный пре­об­разователь - двигатель в режиме холостого хода, под нагрузкой и при стопорении; опре­деле­ние регулировочных свойств исполнительной системы.

2. Теоретические пояснения

В исполнительной системе (ИС) промышленного робота (ПР) различают силовые и управляющие устройства. К управляющим от­носят: регуляторы различного типа, датчики об­ратных связей, кор­ректирующие цепи, фильтры и прочие устройства, определяющие ал­го­ритм (закон) управления в ИС. К силовым относят: двигатель (Д), приводящий в движение манипуляционный механизм; управляемый источник питания (УИП), дозирующий пода­вае­мую на двигатель энергию. Важнейшие свойства ИС определяются в первую очередь свойст­вами устройств силовой части.

В настоящее время перспективными силовыми устройствами для ИС являются электро­меха­нические. Наибольшее распростране­ние получили ИС с двигателями постоянного тока. В та­ких ИС управляе­мыми источниками питания являются реверсивные преобра­зователи с им­пульсным регулированием, тиристорные (ТП) или ши­ротно-им­пульсные (ШИП). Они должны обеспечивать работу при­вода во всех четырёх квадрантах механической характери­стики. Бо­лее высокое быстродействие и динамические свойства достижимы с ШИП, что свя­зано с большей частотой импульсной модуляции в них.

Функциональная схема ШИП с широтно-импульсным модулято­ром (ШИМ), мосто­вым усилителем мощности (УМ) и одиночным ис­точником питания (ИП) приведена на рис.1.

ГОН

НО

Ф

ФИ

У

Рис.1. Функциональная схема ШИП

ШИМ преобразователя содержит генератор опорного напряже­ния (ГОН) пилооб­раз­ной или треугольной формы. Его фиксирован­ная частота f₀ (период Т₀) определяет час­тоту (период) импульсной моду­ляции и выбирается от 2 до 20 Кгц (период от 500 до 50 мкс). От ГОН опорное напряжение с амплитудой U_оп подаётся на один из вхо­дов нуль-органа (НО) компаратора напряжений.

Сигнал управления Uу после сглаживания высокочастотных по­мех фильтром Ф по­да­ётся на другой вход НО. Здесь и осуществля­ется его преобразование в последовательность прямоугольных им­пульсов с регулируемой длительностью t_и = t_и (U_у ), что эквивалентно ре­гулированию коэффициента заполнения  = t_и / Т₀.

Формирователь импульсов управления (ФИУ) преобразует эту последовательность в импульсы управления ключами К1 - К4 усили­теля мощности (УМ), а также обеспечивает ло­гику (способ) этого управления, рассматриваемую ниже.

Модуляторы простых преобразователей имеют на выходе по­следовательность импульсов с зависимостью

;

, если ; , если . (1)

Это значит, что во всём двухполярном диапазоне изменений U_у ве­личина  меняется линейно от 0 до 1, а значению U_у = 0 соответствует  = 0,5. Импульсы управления чаще всего двухполярные.

В более совершенных преобразователях на выходе моду­лятора за счёт некоторого их усложнения получают последовательность им­пульсов с зависимостью

 = U_у / U_оп ; | | = 1, если 2 |U_у / U_оп|  1. (2)

Здесь абсолютная величина коэффициента заполнения  также изме­няется от 0 до 1, однако его значение определяется при U_у > 0 как от­носительная длительность положительных им­пульсов, а при U_у < 0 - отрицательных. Значение  = 0 при U_уs = 0 соответствует отсутствию импульсов.

По первому способу (логике) управления УМ все его ключи коммутируются с периодом им­пульсной модуляции Т_о, причём те из них, что расположены в одной диагонали, откры­ваются и закрыва­ются одновременно, в противофазе с ключами другой диагонали. Для управления УМ по первому способу используют последовательность импульсов с зависи­мостью (U_у) (1). В данном варианте на двигатель от источника питания через ключи УМ подаются двух­полярные им­пульсы с ЭДС величиной Е₀, а среднее значение этой ЭДС с учётом (1) будет

. (3)

В преобразователе с таким управлением обеспечивается непре­рывный ток нагрузки во всех режимах независимо от индуктивности нагрузки. Это связано с тем, что нагрузка посто­янно подключена к источнику питания через ключи одной из диагоналей. В одном из по­лупе­риодов машина находится в двигательном режиме, в другом - в режиме противовк­лючения. Благодаря этому механические характе­ристики остаются жёсткими даже в ре­жиме мини­мальных нагрузок. Однако такой способ управления приводит к большим пульсациям тока, к большим его амплитудным значениям при малой и даже рав­ной нулю постоянной состав­ляющей. Следствием этого являются большие потери в преобразо­вателе и двигателе, нагрев двигателя.

Ток от ЭДС самоиндукции нагрузки протекает через диоды, шунтирующие ключи, на­встречу ЭДС источника питания, заряжая конденсаторы его фильтра и поднимая напря­же­ние источника.

По второму способу широтно-импульсное регулирование осу­ществляется коммута­цией ключей одной диагонали при запертых ключах другой. Реверс выполняется за счёт смены коммутируемой диагонали. Для управления используется модуляция по закону (2). В результате с выхода УМ на двигатель подаются однополярные им­пульсы, среднее значение ЭДС которых с учётом (2)

. (4)

В паузе между импульсами режим противовключения или дина­мического торможе­ния отсутствует, так как все ключи закрыты. Ток, вызванный ЭДС самоиндукции, проте­кает как и в предыдущем вари­анте. Для получения непрерывного тока якоря при малых на­грузках и, со­ответственно, жёстких механических характеристик, требуется в данном слу­чае доста­точно большая индуктивность цепи якоря.

По третьему способу напряжение регулируется за счёт противо­фазного переключе­ния с параметром  ключей одной из "стоек", на­пример, К1 и К2. При этом во второй "стойке" один из ключей вклю­чён постоянно, определяя полярность подключения нагрузки к источ­нику питания, другой закрыт. При реверсе ключи второй "стойки" меняются между собой ро­лями.

В паузе между подключениями нагрузки к источнику питания образуется контур за­мыкания тока от ЭДС самоиндукции, а также от ПЭДС двигателя, не включающий в себя ис­точник. Двигатель нахо­дится в режиме динамического торможения. Образование та­кого кон­тура позволяет обеспечить непрерывность тока якоря и жёсткость ха­рактеристик привода при незначительной индуктивности якорной цепи, в том числе и на малых нагруз­ках.

Нетрудно видеть, что при всех способах широтно-импульсного ре­гулирования от­но­шение Е₀/U_оп имеет смысл коэффициента пере­да­чи преобразователя по управлению. Кроме этого, значение U_оп оп­ре­де­ляет величину зоны линейности регулировочной харак­теристики ШИП по U_y. Значение U_оп выбирается, как правило, близким к стан­дар­тному, чаще всего около 10 В, а Е₀ - на 10 – 15 % больше номи­наль­ного напряжения нагрузки.

Важным параметром ШИП является его внутреннее сопротив­ле­ние R_n. Оно вносит вклад в "смягчение" механической характери­сти­ки. За счёт R_n растёт доля энергии привода, теряемая в ШИП в виде теп­­ла, соответственно уменьшается доля энергии, преобразуе­мая дви­гателем в механическую. В результате увеличение момента наг­рузки на валу двигателя приводит к большему падению частоты вращения.

Для упрощения структурной схемы привода удобно в переда­точ­ной функции ШИП рассматривать его свойства лишь относи­тель­но выходной ЭДС E_п, а R_n учитывать в передаточ­ной функции двига­те­ля в виде суммарного сопротивления якорной цепи R_a . Рассмотрение R_п как со­ставляющей R_a позволяет не рассматривать свойства ШИП по воз­мущению от­дельно, а учи­тывать их как свойство системы ШИП-Д в целом. Это существенно упрощает структурную схему и математиче­ское описание системы.

Необходимость RC-фильтра для сглаживания высокочастотных по­мех по каналу U_y, (см. рис.1) определяет свойства ШИП по управ­лению как апериодического звена.

В лабораторном стенде УМ ШИП выполнен по полумостовой схе­ме с двумя источ­ни­ками питания E₀₁ и E₀₂. Его схема приведена на рис.2. Ключи УМ на транзисторах VТ4 и VТ5 управляются через тран­зисторы VТ1 и VТ2 в противофазе двухполярными импульсами. По­следние меняют коэффициент заполнения в соответствии с (1). Та­кой УМ регулирует напря­жение по первому из описанных способов, с непрерывным током во всех режимах даже без индуктивности в на­груз­ке. Однако для ограничения мгновенных значений тока прихо­дит­ся вводить индуктивность специально, и достаточно большую. Из-за этой ин­дук­тивности цепь нагрузки становится в отдельные мо­мен­ты не потребителем, а источни­ком энергии. Генери­руемая нагруз­кой энергия, как отмечалось выше, возвращается к источ­нику пита­ния, заря­жает конденсаторы его фильтра, поднимает напряжение. Указанное яв­ление создает про­блемы в подобных УМ. Здесь при на­гружении привода происходит пере­качка энергии через якорную цепь от нагруженного источника питания к ненагружен­ному. На­пря­же­ние послед­него повышается. Появляется опасность пробоя сило­вых тран­зи­сторов УМ. Заметно изменя­ется коэффициент усиления ШИП. Это делает его нестацио­нарным устрой­ством, меняющим свои параметры во времени, нарушающим оптимальную настройку ИС на заданные динами­ческие свойства. Эксплуатационные характеристики такой ИС ухудша­ются.

В лабораторном стенде для защиты ШИП от повышения напря­же­ния по указанной причине его УМ оборудован устройством за­щи­ты (УЗ), (см. рис.2). При появлении обрат­ного потока энергии за­пи­ра­ются диоды VД3 или VД4, открываются транзисторы VТ5 или VТ6, в результате чего эта энергия рассеивается на резисторах R7 или R8. Соответствующий источ­ник питания E_o1 или E_o2 оказывается в режиме холостого хода, напряжение на эмит­терах VТ5 или VТ6 пре­­вышает ЭДС источников на величину не более 1 - 5 В ( в зави­си­мо­с­ти от вели­чины резисторов R7 и R8 ).

Инженерный персонал, занятый разработкой ИС, их техниче­ским обслуживанием, ре­гулировкой, настройкой и ремонтом должен иметь полное представление о процессах, проте­кающих в силовой час­ти системы ШИП - двигатель. Экспериментальное исследование этих процессов является одной из целей данной работы.

Рис. 2. Полумостовой усилитель мощности