электропривод для создания вращательного момента (его варианты) и его система управления (ее варианты)

Формула изобретения

1. Электропривод для создания вращательного момента, содержащий шаговый электродвигатель, выходной вал которого связан через редуктор с выходным валом электропривода, и дополнительный электродвигатель, кинематически связанный с выходным валом электропривода, отличающийся тем, что кинематическая связь дополнительного электродвигателя с выходным валом электропривода выполнена с использованием ременной передачи, содержащей ремень, охватывающий ведущий и ведомый шкивы, размещенные соответственно на выходном валу дополнительного электродвигателя и на выходном валу электропривода, при этом вращающий момент, развиваемый дополнительным электродвигателем на выходном валу электропривода, больше момента трения на выходном валу электропривода, но не превышает вращающего момента на выходном валу электропривода от шагового электродвигателя.

2. Электропривод для создания вращательного момента, содержащий шаговый электродвигатель, выходной вал которого связан через редуктор с выходным валом электропривода, и дополнительный электродвигатель, кинематически связанный с выходным валом электропривода, отличающийся тем, что кинематическая связь дополнительного электродвигателя с выходным валом электропривода выполнена с использованием ременной передачи, содержащей ремень, охватывающий ведущий и ведомый шкивы, размещенные соответственно на выходном валу дополнительного электродвигателя и на выходном валу шагового электродвигателя, при этом вращающий момент, развиваемый дополнительным электродвигателем на выходном валу электропривода, больше момента трения на выходном валу электропривода, но не превышает вращающего момента на выходном валу электропривода от шагового электродвигателя.

3. Система управления электроприводом для создания вращательного момента, содержащая источник питания постоянного напряжения, шаговый электродвигатель и блок управления шаговым электродвигателем, связанный выходами с обмотками шагового электродвигателя, дополнительный электродвигатель и переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя, отличающаяся тем, что в нее введен дополнительный источник питания постоянного напряжения с падающей вольтамперной характеристикой, вход блока управления шаговым электродвигателем соединен с источником питания постоянного напряжения, в качестве дополнительного электродвигателя использован электродвигатель постоянного тока, который через переключатель направления вращения подключен к дополнительному источнику питания постоянного напряжения с падающей вольтамперной характеристикой.

4. Система управления электроприводом для создания вращательного момента, содержащая источник питания постоянного напряжения, шаговый электродвигатель и блок управления шаговым электродвигателем, связанный выходами с обмотками шагового электродвигателя, дополнительный электродвигатель и переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя, отличающаяся тем, что в нее введен дополнительный источник питания переменного напряжения, вход блока управления шаговым электродвигателем соединен с источником питания постоянного напряжения, в качестве дополнительного электродвигателя использован асинхронный электродвигатель переменного тока, который через переключатель направления вращения подключен к источнику питания переменного напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для сообщения прецизионного вращательного движения различным механизмам как при их штатном использовании, так и при испытаниях измерительных датчиков угла поворота, скоростей вращения, линейных (центробежных) ускорений, при испытаниях и эксплуатации механизмов, используемых в народном хозяйстве, в тренажерах и т.д.

Известен электропривод для создания вращательного момента, содержащий размещенные в корпусе планетарный многоступенчатый редуктор с последовательным расположением ступеней, выходной вал в виде зубчатого колеса, связанный с водилом предыдущей ступени, сателлиты, приводной элемент и др. [1].

Для управления электроприводом, если он выполнен на электродвигателях постоянного тока, в простейшем случае используются источник питания постоянного тока с заданным выходным напряжением и, при необходимости, реостат [2] либо иное устройство управления напряжением питания электродвигателя, например, устройство с широтно-импульсной модуляцией. Для управления электродвигателем переменного тока по аналогии может быть использован регулируемый автотрансформатор.

Недостатком таких электроприводов для создания вращательного момента является невысокий КПД, низкая точность скорости вращения выходного вала устройства, отсутствие возможности обеспечить поворот выходного вала на заданный угол.

С точки зрения управления электроприводом непосредственное включение через реостат позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, но существенно снижает КПД устройства, не может обеспечить заданную точность скорости вращения выходного вала устройства и не может обеспечить поворот на заданный угол. При включении электродвигателя переменного тока через автотрансформатор КПД падает незначительно, но обеспечить заданные параметры вращения выходного вала устройства невозможно.

Известен электропривод по патенту РФ №2002361 Н02Р 8/00 [3], в котором содержатся признаки, позволяющие принять его за прототип как для электропривода для создания вращательного момента, так и для его системы управления. Из общего числа признаков известного устройства существенными (и общими) с точки зрения предложенного устройства являются следующие.

Электропривод для создания вращательного момента содержит шаговый электродвигатель, связанный с выходным валом электропривода через редуктор, второй (дополнительный) электродвигатель, кинематически связанный с выходным валом.

Система его управления содержит источник питания (предполагается по умолчанию), шаговый электродвигатель, второй (дополнительный) электродвигатель (в данном случае - постоянного тока), блок управления шаговым электродвигателем (обобщенное назначение ряда взаимосвязанных функциональных узлов) и переключатель направления вращения, подключенный выходом к второму электродвигателю, при этом выходы блока управления шаговым электродвигателем соединены с обмотками шагового электродвигателя.

Недостатком устройства-прототипа являются низкая точность скорости вращения выходного вала даже при использовании шагового двигателя. Обусловлено это следующим. При малых скоростях вращения выходного вала устройства (при выключенном втором электродвигателе) момент, создаваемый шаговым электродвигателем, через дифференциал передается на второй электродвигатель, который от этого момента может вращаться. В результате этого из-за вычитания скоростей в дифференциале скорость вращения выходного вала будет не соответствовать заданной. При работе на максимальных скоростях вращения, когда в работу вступает второй электродвигатель, в редукторе (дифференциале) устройства происходит сложение скоростей вращения двух двигателей. Поскольку скорость вращения второго электродвигателя имеет низкую точность, скорости вращения выходного вала не может иметь высокой точности скорости вращения. Таким образом, эти недостатки привода не позволяют использовать его в прецизионных устройствах, тем более - в устройствах, обеспечивающих поворот на заданный угол.

Следует отметить, что шаговым электродвигателям присущ ряд особенностей [4], а именно - при большом моменте инерции вращаемой (испытуемой) аппаратуры существенно снижается быстродействие устройства в целом (уменьшается частота приемистости устройства) вплоть до того, что шаговый электродвигатель выходит из синхронизма и останавливается. В определенном диапазоне частот управляющих импульсов возникает явление электромеханического резонанса, который также может привести к выпадению из синхронизма, нарушению периодичности движения ротора и его остановке. С увеличением скорости вращения уменьшается вращающий момент, а при постоянной нагрузке (типа трения) образуется недостаток мощности на валу, что также может привести к выходу из синхронизма, потере управления и остановке электродвигателя.

Ротор шагового электродвигателя за счет импульса электромагнитного момента совершает разворот в заданном направлении на один шаг по углу (угол шага зависит от конструкции электродвигателя). Если время включения выбранной обмотки шагового электродвигателя достаточно большое, то его ротор по инерции проскакивает состояние устойчивого равновесия, после чего вращающий момент меняет знак, и будет возвращать ротор обратно к состоянию устойчивого равновесия. Это обстоятельство совместно с инерционной массой и упругостью конструкции может привести к возникновению колебаний, выходу из синхронизма и остановке шагового электродвигателя.

Перечисленные особенности работы шагового электродвигателя фактически предопределяют основной недостаток устройства, в котором он установлен, а именно - снижение его функциональной надежности.

Задачами предлагаемого технического решения являются расширение динамического диапазона скоростей вращения выходного вала электропривода в режиме его разгона, увеличение функциональной надежности, обеспечение прецизионной точности скорости вращения и обеспечение возможности поворота выходного вала электропривода на заданный угол. Кроме того, обеспечение упрощения конструкции устройства в целом и ее изготовления.

Технический результат достигается тем, что в электроприводе для создания вращательного момента, содержащем шаговый электродвигатель, выходной вал которого связан через редуктор с выходным валом электропривода и дополнительный электродвигатель, кинематически связанный с выходным валом электропривода, кинематическая связь дополнительного электродвигателя с выходным валом электропривода выполнена с использованием ременной передачи, содержащей ремень, охватывающий ведущий и ведомый шкивы, размещенные соответственно на выходном валу дополнительного электродвигателя и на выходном валу электропривода, при этом вращающий момент, развиваемый дополнительным электродвигателем на выходном валу электропривода, больше момента трения на выходном валу электропривода, но не превышает вращающего момента на выходном валу электропривода от шагового электродвигателя.

Технический результат может быть достигнут также тем, что в электроприводе для создания вращательного момента, содержащем шаговый электродвигатель, выходной вал которого связан через редуктор с выходным валом электропривода и дополнительный электродвигатель, кинематически связанный с выходным валом электропривода, кинематическая связь дополнительного электродвигателя с выходным валом электропривода выполнена с использованием ременной передачи, содержащей ремень, охватывающий ведущий и ведомый шкивы, размещенные соответственно на выходном валу дополнительного электродвигателя и на выходном валу шагового электродвигателя, при этом вращающий момент, развиваемый вторым электродвигателем на выходном валу электропривода, больше момента трения на выходном валу электропривода, но не превышает вращающего момента на выходном валу электропривода от шагового электродвигателя.

В систему управления электроприводом для создания вращательного момента, содержащую источник питания постоянного напряжения, шаговый электродвигатель и блок управления шаговым электродвигателем, связанный выходами с обмотками шагового электродвигателя, дополнительный электродвигатель и переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя, введен дополнительный источник питания постоянного напряжения с падающей вольтамперной характеристикой, вход блока управления шаговым электродвигателем соединен с источником питания постоянного напряжения, в качестве дополнительного электродвигателя использован электродвигатель постоянного тока, который через переключатель направления вращения подключен к дополнительному источнику питания постоянного напряжения с падающей вольтамперной характеристикой.

В систему управления электроприводом для создания вращательного момента, содержащую источник питания постоянного напряжения, шаговый электродвигатель и блок управления шаговым электродвигателем, связанный выходами с обмотками шагового электродвигателя, дополнительный электродвигатель и переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя, введен дополнительный источник питания переменного напряжения, силовой вход блока управления шаговым электродвигателем соединен с источником питания постоянного напряжения, в качестве дополнительного электродвигателя использован асинхронный электродвигатель переменного тока, который через переключатель направления вращения подключен к источнику питания переменного напряжения.

Суть изобретения поясняется с помощью графических материалов фиг.1 и 2, где приведены функциональные (кинематические) блок-схемы предлагаемого электропривода для создания вращательного момента. На чертежах приведены только принципиальные узлы устройства и не показаны опоры, упоры, подшипники, шестерни и т.п., поскольку выполнение их может быть любым, и они не являются предметом данного изобретения. На фиг.3 и 4 приведены блок-схемы системы управления электродвигателями предлагаемого электропривода, отличающиеся между собой типами и характеристиками дополнительного источника питания и дополнительного электродвигателя.

Цифрами на чертежах обозначены:

1 - шаговый электродвигатель;

2 - редуктор шагового электродвигателя;

3 - выходной вал электропривода;

4 - дополнительный электродвигатель;

5 - ведущий шкив дополнительного электродвигателя;

6 - ведомый шкив электропривода;

7 - ремень ременной передачи;

8 - поворотная платформа;

9 - блок питания шагового электродвигателя;

10 - блок управления шаговым электродвигателем;

11 - блок задания режимов работы шагового электродвигателя;

12 - коммутатор обмоток шагового электродвигателя;

13 - обмотки шагового электродвигателя;

14 - дополнительный блок питания;

15 - переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя.

Электропривод для создания вращательного момента (фиг.1 и 2) состоит из шагового электродвигателя 1, соединенного с помощью редуктора 2 с выходным валом 3 электропривода, и дополнительного электродвигателя 4, ведущий шкив 5 которого с помощью ремня 7 ременной передачи соединен с ведомым шкивом 6 электропривода. При этом ведомый шкив 6 может быть установлен непосредственно на выходном валу 3 электропривода (фиг.1), либо на выходном валу шагового электродвигателя 1 (фиг.2). На выходном валу 3 электропривода может быть установлен любой механизм, требующий вращения (поворота) по заданному закону (на заданный угол), либо поворотная платформа 8, на которой может размещаться испытуемая аппаратура. Редуктор 2 шагового электродвигателя 1, в зависимости от назначения электропривода может быть выполнен многоступенчатым. Ременная передача 5-7-6 (ведущий шкив шагового двигателя 5 - ремень ременной передачи 7 - ведомый шкив 6) в обоснованных случаях также может быть выполнена многоступенчатой.

Для управления электроприводом используются два источника питания 9 и 14, блок управления шаговым электродвигателем 10 и переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя 15 (фиг.3 и 4), при этом блок питания шагового электродвигателя 9 через блок управления шаговым электродвигателем 10 соединен с обмотками шагового электродвигателя 13, а дополнительный блок питания 14 через переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя 15 связан с этим электродвигателем.

Блок управления шаговым электродвигателем 10 (фиг.3 и 4) показан условно разделенными на два независимых блока 11 и 12 только для того, чтобы легче было рассматривать работу предложенных устройств в целом. Реально они могут быть выполнены любым образом, с использованием полупроводниковых приборов, микросхем, контроллеров, компьютеров и т.п., в том числе - в виде моноблока.

Питание на обмотки 13 шагового электродвигателя 1 (фиг.3) поступает от блока питания шагового электродвигателя 9 через блок управления шаговым электродвигателем 10 (с выхода коммутатора обмоток шагового электродвигателя 12). Управление коммутатором блока управления шаговым электродвигателем 12 осуществляется с помощью выходных сигналов блока задания режимов работы шагового электродвигателя 11. Питание на дополнительный электродвигатель 4 поступает от дополнительного блока питания 14 через переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя 15. Главным для правильной работы электродвигателя 4 в составе заявленного электропривода является особенность его блока питания 14, а именно - он должен обладать падающей характеристикой, особенно при токах, близких к пусковым.

Требования к дополнительному электродвигателю 4 вытекают из его функционального назначения в предложенном устройстве - обеспечивать дополнительный момент при разгоне привода (обеспечить повышение приемистости устройства), компенсировать вращательный момент трения при больших скоростях вращения (увеличить динамический диапазон скоростей вращения) и при этом не влиять на формирование заданной скорости вращения шаговым электродвигателем 1. Для этого его максимальный вращающий момент, приведенный к выходному валу устройства, не должен превышать вращающий момент шагового электродвигателя, также приведенного к выходному валу устройства. Это обеспечивается тем, что при пуске и малых скоростях вращения электродвигателя 4 за счет его большого тока потребления резко уменьшается выходное напряжения блока питания 14 и таким образом уменьшается мощность и пусковой момент дополнительного электродвигателя 4, хотя его максимальный пусковой момент при номинальном напряжении питания может превышать номинальный пусковой момент шагового электродвигателя 1.

Ременная передача 5-7-6 (фиг.1 и 2) служит не только для передачи момента от дополнительного электродвигателя 4 к выходному валу 3 устройства, но и, в силу определенной вязкости ремня ременной передачи 7, для демпфирования резонансных колебаний, возникновение которых неизбежно в высокодобротной электромеханической системе, обладающей упругостью, импульсными силами управления и инерционной массой. Вязкость ремня ременной передачи 7 вносит затухание в эту систему и колебания не возникают.

Блок питания шагового электродвигателя 9 (фиг.3) подключен к блоку управления шаговым электродвигателем 10, который содержит блок задания режимов работы шагового электродвигателя 11 и коммутатор 12 обмоток 13 шагового электродвигателя 1. Работают они совместно следующим образом. Блок задания режимов работы шагового электродвигателя 11 вырабатывает последовательность импульсов управления ключами коммутатора обмоток шагового электродвигателя 12. Коммутатор обмоток шагового электродвигателя 12 (выполнен обычно на транзисторах, работающих в ключевом режиме) последовательно подает на обмотки шагового электродвигателя 13 напряжение питания.

Подключение дополнительного блока питания 14 к дополнительному электродвигателю 4 производится с помощью переключателя направления вращения дополнительного электродвигателя 15. Его контакты имеют три положения (см. фиг.3): исходное, когда цепь питания дополнительного электродвигателя 4 отключена и два крайних положения, в которых цепи питания дополнительного электродвигателя 4 замкнуты, а полярность его подключения противоположна.

Работает устройство в целом следующим образом.

Напряжение на обмотки шагового электродвигателя 13 (фиг.3 и 4) поступает от блока питания шагового электродвигателя 9 через блок управления шаговым электродвигателем 10 (через коммутатор обмоток шагового электродвигателя 12) в виде импульсов в соответствии с частотой и последовательностью, сформированными блоком задания режимов работы шагового электродвигателя 11 (схема управления шаговым электродвигателем, как таковая, не входит в объем притязаний, поэтому в материалах заявки не приводится и подробно не рассматривается). Вращение ротора шагового электродвигателя 1 передается через редуктор шагового двигателя 2 на выходной вал 3 электропривода (фиг.1). Через ременную передачу 6-7-5 вращение передается на вал дополнительного электродвигателя 4 и он также начинает вращаться на холостом ходу. Когда на дополнительный электродвигатель 4 через переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя 15 (фиг.3) поступает напряжение питания (а это обеспечивается при работе электропривода во всем диапазоне моментов и скоростей вращения выходного вала устройства), то он за счет собственного момента через ременную передачу 5-7-6 сообщает выходному валу 3 электропривода дополнительный вращательный момент (включение питания дополнительного электродвигателя в полярности, создающей противомомент, не рассматривается; при необходимости изменить направление вращения выходного вала электропривода изменяют направления вращения обоих электродвигателей; вместе с тем, при торможении вращающегося выходного вала дополнительный электродвигатель допустимо включать для создания противомомента, в этом случае торможение может быть произведено более эффективно).

При малой скорости вращения выходного вала 3 и скорости вращения дополнительного электродвигателя 4 его момент максимальный: дополнительный блок питания 14 дополнительного электродвигателя, на малых оборотах этого электродвигателя, обеспечивает максимальный ток. При этом увеличивается суммарный вращающий момент при разгоне электропривода и его приемистость. Вместе с тем, в момент пуска и на начальном участке разгона электропривода (либо при малых скоростях вращения) при большом токе потребления дополнительным электродвигателем 4 выходное напряжение дополнительного блока питания 14 в силу падающей вольтамперной характеристики уменьшается, что исключает перегрузку этого блока питания и исключает перегрев дополнительного электродвигателя 4 при длительных режимах работы на малых скоростях вращения. По мере увеличения скорости вращения выходного вала устройства дополнительный электродвигатель выходит на номинальный режим, компенсирует потери на трение в устройстве, создает дополнительный вращающий момент и поддерживает вращение шагового электродвигателя при его максимально возможных скоростях.

Переменную составляющую скорости вращения (вибрацию) ротора и выходного вала устройства, возникающую за счет импульсного управления шаговым электродвигателем, сглаживает ременная передача 5-7-6 дополнительного электродвигателя за счет вязких и упругих свойств ремня. Эти свойства ременной передачи (особенно - его вязкость) гасят резонансы в электромеханике устройства.

Шаговый электродвигатель 1 практически при любой скорости вращения работает в номинальном режиме, а дополнительный электродвигатель 4 совместно с дополнительным источником питания 14 в устройстве может работать в нескольких режимах, наиболее характерные из которых - это пусковой режим при большом ускорении, режим максимальной скорости вращения и длительный режим при малой скорости вращения. В первых режимах дополнительный источник питания 14 и дополнительный электродвигатель 4 работают в номинальном или максимально допустимом режиме по току потребления. В режиме малой скорости вращения от этого электродвигателя большой мощности не требуется и поэтому выходное напряжение источника питания снижается в соответствии с вольтамперной характеристикой дополнительного блока питания 14. Для этого при номинальном выходном напряжении максимальный ток такого источника питания путем его регулировки может быть задан близким к пусковому току двигателя. В этом случае при пуске выходное напряжение дополнительного источника питания резко падает, а по мере его разгона снижается ток потребления и растет выходное напряжение источника питания.

Разворот выходного вала электропривода на заданный угол с заданной скоростью обеспечивается путем формирования блоком управления шаговым электродвигателем 10 необходимого количества импульсов на обмотки 13 шагового электродвигателя 1 с необходимой частой их переключения. Алгоритм управления вырабатывает блок задания режимов работы шагового электродвигателя 11. В этом режиме дополнительный электродвигатель 4 работает, как описано выше.

Устройство, изображенное на фиг.2, с точки зрения сложения моментов вращения работает полностью по аналогии. С точки зрения изготовления оно по конструкции проще, т.к. кинематическая связь вала дополнительного электродвигателя на вал шагового электродвигателя не требует большого коэффициента передачи, и, следовательно, многоступенчатого ременной передачи. Вместе с тем, в этом случае редуктор шагового электродвигателя 2 должен передавать на выходной вал 3 электропривода практически удвоенную мощность.

В качестве дополнительного электродвигателя 4 может быть использован также асинхронный электродвигатель переменного тока (фиг.4), подключаемый к дополнительному блоку питания 14 переменного напряжения. Такой электродвигатель, например, с конденсаторной пусковой обмоткой, может работать в большом динамическом диапазоне скоростей без электрической перегрузки (примером конструкции такого электродвигателя может быть электродвигатель бытового вентилятора). Эта совокупность свойств источника переменного напряжения и асинхронного электродвигателя эквивалентны свойствам источника постоянного напряжения с падающей характеристикой и электродвигателя постоянного напряжения. Для реверсирования направления вращения такого асинхронного электродвигателя, обычно имеющего две обмотки, предназначенные для создания вращающегося магнитного поля, переключатель направления вращения дополнительного электродвигателя 15 (фиг.4) должен переключать только одну из них, а вторая может быть включена одновременно с включением дополнительного источника питания 14 переменного напряжения, либо дополнительным контактом переключателя направления вращения дополнительного электродвигателя 15 (не показано).

Упрощение устройства по сравнению с прототипом достигается за счет того, что вместо дифференциального редуктора используется простые передачи с использованием шестерен и ремня, а в качестве дополнительного источника питания может быть использован даже нестабилизированный источник напряжения с ограничением максимального тока и без принудительного управления, как это выполнено в устройстве-прототипе.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренном авторами предложении не встречалась для решения поставленной задачи, и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Рассмотренный электропривод для создания вращательного момента, на котором установлена платформа, приводимая им во вращение, будет использоваться для задания прецизионных вращательных движений с разными угловыми скоростями различных устройств при их испытаниях в процессе производства. В настоящее время электропривод находится на стадии изготовления.

Литература

1. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи. - Л., 1966, с.247-243, рис.133 и 134.

2. И.М.Юровский, Н.А.Чекалин. Лабораторный практикум по электроприводу и основам управления. Издание второе, дополненное и переработанное. М., Высшая школа, 1972 г., с.9, рис.1.3, рис.1.4.

3. Патент РФ №2002361, Н02Р 8/00 (прототип).

4. Микроэлектродвигатели для систем автоматики (технический справочник). Под ред. Э.А.Лодочникова и Ф.М.Юферова. М., «Энергия», 1969.

5. Патент РФ №2065542, МПК 6: F16H 3/44.