ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ

Развитие производства и применение комплектных электропри­водов подач станков привели к широкому использованию привода главного движения, регулируемого как по закону постоянства мощ­ности, так и по закону постоянства момента. Регулируемый элект­ропривод главного движения сначала применяли в станках с при­водом небольшой мощности. Например, привод главного движе­ния серийных координатно-расточных станков был укомплекто­ван электромашинным приводом по системе Г-Д мощностью 2 кВт. ■Затем этот привод был заменен электроприводом со статическим преобразователем на магнитных усилителях типа ПМУ6М-13. Его технические данные: регулирование частоты вращения в обмотке Возбуждения с диапазоном 1 :4 (2800—7000 об/мин) и напряже­ния на якоре 1 : 10. Изменение тока возбуждения осуществлялось регулируемым серводвигателем, меняющим сопротивление в цепи возбуждения.

Затем был разработан и внедрен электропривод главного дви­жения серии ПКВ на кремниемых диодах мощностью до 14 кВт. Частота вращения регулировалась только полем (1:4), были пре­дусмотрены ступенчатый пуск и регулирование тока возбуждения при помощи резистора. Недостаточная надежность и отсутствие зоны регулирования в цепи якоря привели к разработке тиристор­ного привода главного движения станков серии ПК. ВТ (регулиро­вание напряжения на якоре с D= 1-ь5 и полем с Z)= 1-^4). Диапа­зон мощности 1,4—24 кВт. Особенность привода — наличие одно­го задатчика частоты вращения на обе зоны регулирования. Пере­ход из одной зоны в другую осуществляется автоматически за счет использования сигнала изменения напряжения на якоре после до­стижения им номинального значения. Недостаточный диапазон ре­гулирования напряжения в цепи якоря привел к созданию элект­ропривода серии ЭТЗ, у которого диапазон регулирования напря­жением якоря достигает D= 1 : 100, а полем /3 = 1:5.

В связи с расширением области применения регулируемых при­водов главного движения появились новые требования (реверсив

ность и отсутствие силового трансформатора), которым отвечают разработанные новые серии электроприводов: ЭТЗД — рёверсив» ный с диапазоном регулирования частоты по якорю D — 1 : 100, но с силовым трансформатором и ЭТЗДР — реверсивный, бестранс< форматорный, с £>=1 : 100. В табл. 4 приведены основные техниче ские характеристики электроприводов главного движения.

Электроприводы серий ЭТЗ и ЭТЗД комплектные, нереверсив яые и предназначены для плавного изменения частоты вращени! механизмов главного движения станков и машин. Привод комп лектуется двумя полупроводниковыми преобразователями на ти ристорах и силовых диодах, обеспечивающих преобразование пе ременного напряжения сети в регулируемое по напряжению по стоянного тока для питания цепей якоря и возбуждения электро двигателя постоянного тока. Кроме того, в комплект привода вхо дят блок динамического торможения, электродвигатель и задат чик частоты вращения.

Приводы могут работать в двигательном режиме и режиме ди намического торможения. Приводы серии ЭТЗ работают в режимі постоянства предельного момента, серии ЭТЗД — в режимах по стоянства предельного момента и постоянства предельной мощно сти. Диапазон мощностей 1,4—14 кВт. Диапазоны регулирования 450—3000 об/мин при предельной мощности и 15—2000 об/мин I режиме предельного момента. Суммарная погрешность приводі ± (10^-20) % на низкой частоте вращения.

Предусмотрена защита от перегрузки, коротких замыканий исчезновения напряжения. В качестве усилителя используется и тегральная микросхема. Структурная схема привода приведена на рис. 45. Электропривод работает следующим образом. Разность задающего сигнала U3 и сигнала обратной связи, получаемого от 82

тахогенератора ТГ, подается на усилитель У1, охваченный цепью коррекции КУ1. Выходной сигнал У1 подается на тиристорный пре­образователь ТП1, питающий якорь двигателя М, При достиже­нии номинальной частоты вращения двигателя дальнейший раз­гон его происходит за счет ослабления поля, т. е. за счет уменьше­ния тока в обмотке возбуждения ОВ. Последняя питается от тири­сторного выпрямителя ТП2, управляемого усилителем У2, который охвачен корректирующей цепью КУ2. На входе усилителя У2 сиг­нал на ослабление поля возникает при условии превышения опор­ного напряжения ия, снимаемого с якоря двигателя. Это происхо­дит при превышении двигателем номинальной частоты вращения.

Частота вращения привода задается положением движка за­датчика, причем регулирование осуществляется в следующей по­следовательности: при частотах вращения меньше номинальной — изменением напряжения на якоре, при частотах больше номиналь­ной -— уменьшением тока в обмотке возбуждения (серия ЭТЗД), При необходимости задатчик отключают и частоту вращения мож­но регулировать с помощью другого источника напряжения. Ча­стота вращения двигателя линейно зависит от задающего напря­жения. Размеры преобразовательного блока 484X350X265 мм, масса 25 кг; размеры блока торможения 175x120x230 мм, масса 1,5 кг.

Электроприводы серии ЭТРП тиристорный и является двух­зонным. В первой зоне частота вращения изменяется за счет на­пряжения на якоре в диапазоне 1 : 100, во второй зоне — за счет ослабления поля обмотки возбуждения двигателя в диапазоне до 1 :9. Структурная схема электропривода (рис. 46) содержит тири­сторный выпрямитель ВПЯ, собранный по трехфазной мостовой схеме и предназначенный для питания цепи якоря, а также ВПВ — реверсивный тиристорный выпрямитель для питания це­пи возбуждения. Канал регулирования напряжения имеет два кон­тура — регулятор скорости PC и регулятор.. тока якоря РТЯ - По достижении двигателем номинальной скорости вращения ав­томатически начинает уменьшаться ток возбуждения. При изме­нении полярности задающего напряжения ±10 В автоматически

изменяется полярность напряжения на обмотке возбуждения и происходит реверс двигателя. СФУЯ и СФУВ — системы фазово­го управления тиристорами каналов напряжения и возбуждения, БЛ — блок логики, ДТЯ и ДС — датчики тока якоря и цепи об­мотки возбуждения, ДН — датчик напряжения.

Реверсивный преобразователь цепи возбуждения ВПВ содер­жит два комплекта однополупериодных выпрямителей с тиристо­рами В (вперед) и Н (назад), включенных встречно и работаю­щих по принципу раздельного управления. Раздельное управле­ние осуществляется при помощи блока логики БЛ, обеспечиваю-

Щего одновременную работу только одной группы тиристоров. Уп­равление тиристорами ВПВ осуществляется регуляторами задан­ного: значения тока возбуждения (PIВ. зад) и регулятором истинно­го его значения (РТВ). Выход последнего управляет системой фа­зового управления СФУВ и распределителем импульсов (РИ).

В схеме предусмотрена температурная защита двигателя. Об­ратная связь по скорости осуществляется тахогенератором G, Пре­дусмотрена релейная защита электропривода от неправильного чередования фаз, исчезновения напряжения питания цепей управ­ления, а также отключение электродвигателя и силовой части пре­образователя при перегреве. Задание частоты вращения произво­дится потенциометром RV.

Электропривод ЭТУ3601-Д состоит из электропривода подачи серии ЭТУ3601 и блока питания цепи возбуждения БУ3509В. По­следний представляет собою тиристорный преобразователь, пре­образующий переменный ток неизменяемого напряжения в регу­лируемое напряжение постоянного тока. Нагрузкой этого преоб­разователя является обмотка возбуждения двигателя постоянно­го тока, что позволяет изменять его частоту вращения в двух зо­нах — до номинальной частоты вращения якорь двигателя пита­ется от преобразователя серии ЭТУ3601. При напряжении на яко­ре выше номинального, за счет ослабления поля, производимого от БУ3509В, двигатель переходит в другую зону регулирования частоты. Переход из одной зоны в другую осуществляется автома­тически. С этой целью сравнивается опорное значение напряжения с напряжением противо-ЭДС. После достижения двигателем номи­нальной частоты вращения опорное напряжение оказывается меньше противо-ЭДС и автоматически начинается ослабление по­ля. Реверс двигателя осуществляется за счет изменения знака на­пряжения на его якоре.

К электроприводам серии ЭТА относится разработанная серия автономных (следящих) электроприводов подач под названием ЭТИ (электропривод тиристорный автономный). Основным свой­ством этого привода является возможность точной отработки за­данного угла поворота вала двигателя. С этой целью двигатель снабжен как тахогенератором, так и датчиком положения. По­следний построен на принципе фотоэффекта, обеспечивающего преобразование светового потока в электрический сигнал. Вот как устроен фотоимпульсный датчик положения вала двигателя (рис. 47, а). На валу двигателя жестко зафиксирован диск со щелями. Нели на эти щели направить световой поток от светодио­да, а с другой стороны диска поставить фотоэлемент, то при вра­щении диска фототок будет периодически прерываться. В резуль­тате формируется последовательный ряд импульсов тока, число которых пропорционально углу поворота диска, а частота импуль­сов в единицу времени определяет скорость его вращения.

Если создать задающее устройство, выдающее команду в виде «пакета», например, из 1000 импульсов, которые после соответ­ствующих преобразований начнут вращать двигатель, то, как Фотоэлементы Усилители Двигатель Источнин света импульсов

только двигатель придет во вращение, фотоимпульсный датчик начнет «возвращать» импульсы в систему управления. При равен стве импульсов задания и импульсов обратной связи двигатель остановится. Так мы получили режим позиционирования — вал двигателя остановился в заданной позиции, он как бы «отрабо­тал» 1000 импульсов.

Рассмотрим вопрос о точности позиционирования. Нетрудно прийти к выводу, что чем больше число щелей в диске датчика тем меньшим может быть задаваемый угол поворота вала дви­гателя. Допустим, на диске имеется 250 щелей. Расстояние между щелями (в градусах) составит 360°: 250= 1,4°. Эту величину на" зывают дискретой. Дискрета — это минимальная величина угла поворота вала двигателя, который он может отработать при дан­ном датчике положения.

Чем меньше дискрета, тем выше точность. Покажем способ учетверения числа импульсов при наличии тех же 250 щелей на диске фотодатчика. Если вместо одного фотодиода установить два и расположить их так, чтобы два потока импульсов были сдви­нуты друг относительно друга на 90° (рис. 47,6), можно заметить, что при пересечении щелью диска двух фотодиодов формируются
два ряда импульсов, имеющих четыре фронта, — два передних и два| задних. Эти фронты суммируются в один поток импульсов таким образом, что на одну щель уже приходится четыре импуль­са. В результате за один оборот двигателя тот же датчик выдаст не 250, а 1000 импульсов. Дискрета теперь уменьшилась в 4 раза и составляет 360°: 1000 = 0,36° или (^20'). Аналогичным способом можно получить еще более мелкую дискрету и достигнуть еще более высокой точности.

Попробуем разобраться, как работает привод с фотоимпульс - ным датчиком положения. Вспомним, что у привода скорость вращения двигателя зависит от задающего напряжения. Величина задающего напряжения ±10 В, т. е. для получения номинальной частоты вращения двигателя пн требуется 10 В. Знаки ± соот­ветствуют направлению вращения, т. е. плюс означает вращение, например, по часовой стрелке, минус — противоположное.

Если преобразовать импульсы задания и обратной связи в задающее напряжение, которое вначале растет, а при равенстве импульсов задания и датчика обратной связи становится равным нулю, то частота вращения двигателя будет меняться по тому же закону — двигатель разгонится и остановится в заданном поло­жении. Остается понять принцип действия преобразователя им­пульс— напряжение. В самом простом виде этот преобразователь представляет собою ОУ (рис. 47, в), вход и выход которого сое­динены через конденсатор С. При подаче на вход ОУ импульса усилитель отпирается его передним фронтом и запирается задним фронтом. В этих условиях конденсатор периодически заряжается и разряжается, накапливая и отдавая электрическую энергию. Благодаря этому на выходе ОУ формируется аналоговое напря­жение, величина которого пропорциональна частоте следования импульсов. ОУ, работающий в этом режиме, называется интегра­тором. Можно сделать вывод, что добавление к приводу фотоим- пульсного датчика приводит к появлению нового свойства приво­да — осуществлять позиционирование.

Этим не исчерпываются новые свойства привода. Оказывается, при условии непрерывной подачи импульсов он может работать в следящем режиме. Мы видим, что в названии режима есть слово «слежение». Наиболее понятен этот режим при рассмотрении станков с ЧПУ при контурной обработке. В этом случае привод подачи «следит» за программой, которая выдается устройством ЧПУ. Очевидно, при слежении всегда есть некоторое отставание как по скорости, так и по пути фактического движения от задан­ного (по программе) движения. Чем отставание меньше, тем ка­чественнее (добротнее) следящий электропривод. В связи с этим для количественной оценки качества следящего электропривода введено понятие добротности. Коэффициент добротности обозначим буквой а. Для его определения пригодна упрощенная формула, с-1, а^6и/ф, где п — частота вращения, об/мин; ф — угол отста-

о С МИН'°

вания, ,6 — число, имеющее размерность ——— .

Например, при частоте вращения двигателя 500 об/мин и углв-

отставания ф = 90° 6 500 ^32 с-1. В станках с ЧПУ сг нахо-

^ 90

дится в пределах 20-^40 с-1. С целью улучшения ср применяют компенсацию скоростной ошибки (КСО). Смысл ее состоит в авто­матическом добавлении к основному напряжению задания напря­жения КСО, которое пропорционально заданной скорости.

Электропривод серии ЭТА состоит из аналоговой части — элек­тропривода серии ЭТЗИ и цифровой части — преобразователя импульс — аналог в качестве задающего сигнала. Привод обес­печивает работу в качестве регулятора положения в режиме пози­ционирования и в следящем режиме. С этой целью комплект привода серии ЭТЗИ дополнен двумя печатными платами (ин­тегратором ПИ), усилителем ПУ и фотоимпульсным датчиком (ФИД), расположенным на валу двигателя.

Структурная схема привода (рис. 47, г) содержит преобразо­ватель П серии ЭТЗИ, двигатель М, тахогенератор G, импульсный задатчик пути и частоты вращения 3, преобразователь импульсов ПИ, датчик положения BG, преобразователь сигналов обратной связи ПУ, канал компенсации скоростей ошибки КСО с переклю чателем, имеющим два положения: первый — в следящем режиме второй — в режиме позиционирования.

Узлы Я, - М и G соответствуют традиционному аналоговому электроприводу с обратной связью по частоте вращения. В каче стве цифровой задающей части автономного привода служит уп равляющее устройство 3, на выходе которого формируются ко мандные импульсы. Этим устройством может быть устройство ЧПУ или любая другая система с импульсным выходом в вид унитарного кода. В узле ПИ происходит вычитание импульсо обратной связи из командных импульсов (образование сдвига фаз, пропорционального этой разности) и превращение фазового сдвига в аналоговый сигнал, поступающий на вход узла П.

Канал компенсации скоростной ошибки (КСО) работает толь­ко в следящем режиме (положение перемычки 1). В режиме по зиционирования (2) этот канал не работает. Ниже приведена описание работы отдельных блоков цифровой части привода се­рии ЭТА. ' _

В зависимости от требуемого направления вращения двигателя импульсы задания в виде унитарного кода (импульсы идут по­следовательно с разной частотой) поступают на один из инверс^ ных входов элемента D7 (рис. 48, а). С выхода 6 элемента D7 импульсы поступают на двухступенчатый триггер D8, где проис­ходит синхронизация импульсов частотами 1000 и 2000 кГц и их формирование. На выходе 9 D8 образуется один узкий импульс, подаваемый на входы D16 (1 и 4). На рис. 48,6 показана так - тограмма преобразований импульсов.

Фотоимпульсный датчик имеет два светодиода. Пересечение светового потока щелевым диском (N = 250) создает два потока импульсов, сдвинутых один относительно другого на 90°. Отста-

6)

Рис. 48. Схема (а) и тактограмма (б) работы узла преобразования импульсов

задания

вание или опережение импульсов одного канала относительно Импульсов другого зависит от направления вращения двигателя.

Блок обработки импульсов обратной связи состоит (рис. 49,а) из двух частей: формирования импульсов и определения направ­ления вращения. Формирование импульсов заключается в их учет - верении, синхронизации частотой 1000 кГц и тактировании час­тотой 2000 кГц. Последовательность преобразования импульсов: После снижения уровня импульсов фотодатчиков (ФИД) в D20/2 И D20/5 (число в знаменателе — номер контакта элемента) и ин­вертирования (D21/3 и D21/6), учетверяются в D22, D23, D21/8, D21/11 (путем выделения передних и задних фронтов, импульсов датчика). Сформированные в триггерах D27, D28 импульсы через D29/11 поступают на входы D29/5 и D29/10.

счетчиков D11 и D17. Через каждые 1000 импульсов на выходах 6 Н 12 D14 возникает «нулевой» сигнал с частотой 1000 кГц. Они Инвертируются в D7, D14 и подаются на триггеры D15. На выхо­дах 6, 8 D15 имеется 1, V87 и V89 открыты и на выходе А9 на­пряжение равно нулю (колонка I на рис. 51). Идентично, при совпадении по времени импульсов задания с импульсами обрат­ной связи на D15/6 и D15/8 также устанавливаются сигналы еди­ничного уровня. V87 и V89 открыты и на выходе А9 напряжение равно нулю (колонка IV).

Если импульсы задания присутствуют (колонки II и III), то при наличии импульсов задания образуется фазовый сдвиг. Это происходит за счет вычитания импульсов задания и обратной связи из тактирующих импульсов, следующих с частотой 1 мГц. Если на D15/3 (см. рис. 48, а) «тысячные» импульсы поступают раньше, чем на D15/11, то на выходе 8 D15 появляется импульс нулевого уровня, на выходе 6 D15 — единичного. V87 закрыва­ется и на выходе интегратора А9 появляется постоянное напря­жение, величина которого пропорциональна фазовому сдвигу. Если «тысячные» импульсы раньше поступают на D15/11 — сиг­нал проходит уже по каналу V89, А10 я попадает на А9. На вход ЭТЗИ поступит задающее напряжение, знак которого противопо­ложен рассмотренному выше случаю. Двигатель будет вращаться в противоположную сторону.