Прямой привод в России

Однако, редуктор не только дорогостоящий и шумный узел, в котором также теряется и часть передаваемой мощности, но это еще и коварный враг основного показателя качества сервопривода – его точности. Такое свойство редуктора, носящее общее название „нежесткости”, означает, что угол поворота выходного вала не строго пропорционален и однозначен углу поворота входного вала. Нежесткость имеет три основных составляющих:

•     кинематическую ошибку;
•     механический зазор (люфт);
•     упругие деформации.

Кинематическая ошибка, целиком определяемая точностью формы и нарезки зубчатых колес, имеет значение только, если редуктор установлен между объектом управления и датчиком его положения. Люфт (в буквальном переводе с немецкого означает «воздух») вызывается зазорами между зубцами и в подшипниках редуктора. Динамика поведения механизма с люфтом очень сложна, зависит от характера трения и явления удара при сцеплении колес, поэтому до сих пор полной математической модели люфта не существует. Инженеры знают, что приводы с люфтом склонны к автоколебаниям, поэтому существует надежное практическое правило: „В точном реверсивном сервоприводе люфт не допустим”. Разработано много, так называемых „люфтовыбирающих” устройств и приемов. Упругие деформации колес, валов, подшипников и корпуса редуктора и самого объекта управления приводят к эффекту закручивания выходного вала относительно входного, зависящему от величины и знака передаваемого момента. Эти упругие деформации приводят к появлению механических резонансных пиков, существенно ограничивающих полосу пропускания, а, следовательно, и точность сервопривода.

Поскольку в любом реальном редукторе полностью исключить влияние нежесткости невозможно, то другое практическое правило утверждает, что в редукторном сервоприводе, особенно в тяжелых условиях эксплуатации, трудно добиться динамической ошибки слежения менее 10 -20 угл. мин (3 -6 мрад). Таким образом, кардинальный способ борьбы со всеми неприятностями редуктора – это совсем исключить его из электропривода. Это и есть прямой привод, в котором ротор двигателя напрямую связан с подвижной частью объекта управления.

Пример поворотной платформы, на которую устанавливается самолетная радиолокационная антенна или лазер, с прямым приводом показана на рис. 1.

Электродвигатели прямого привода называются моментными. По виду они резко отличаются от классических двигателей, поскольку не имеют корпуса, вала и подшипников и поставляются в виде двух узлов: ротора и статора, имеющих блинообразную (pancake) форму плоских колец, показанных на рисунке 2.

Слово «моментный» в названии такого двигателя имеет два несколько различных смысла. С одной стороны это может означать, что двигатель
предназначен для создания момента при работе на низких, в пределе, нулевых скоростях поворота объекта управления. Моментными также называют электродвигатели, оптимизированные по удельному развиваемому моменту на единицу массы, объема или потребления.

В принципе любой тип электродвигателя может быть сконструирован как моментный, но наиболее известны коллекторные моментные двигатели постоянного тока и бесконтактные (бесщеточные или бесколлекторные) вентильные или вентильно-индукторные двигатели. Наиболее перспективными являются вентильные двигатели с постоянными магнитами. Более подробно особенности таких двигателей для прямого привода рассмотрены в октябрьском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2007 г.

Основные преимущества прямого привода следующие:

•     Отсутствие редуктора и связанных с ним явлений нежесткости и износа.
•     Обеспечение любой низкой и плавной скорости вращения (один оборот за день, за год).
•     Бесшумная операция всех частей.
•     Возможность коаксиальной установки нескольких двигателей для повышения момента.
•     Возможность передачи движения в герметичные или изолированные объемы.
•     Все сигналы обратной связи привода (по углу и по скорости) могут быть сформированы одним датчиком положения (например, энкодером).
•     Линейность характеристик и быстрая реакция.
•     Любые режимы движения (частый реверс, сканирование, слежение, перегрузки и т.д.).
•     Большой срок службы 20 -50 тысяч часов в самых тяжелых условиях эксплуатации.

Отсутствие редуктора не устраняет упругих деформаций корпуса и подшипников объекта управления, однако позволяет прямому приводу на практике достичь самой высокой точности слежения (единицы и доли угловых сек.).

Моментные двигатели с постоянными магнитами поставляются известными компаниями Danaher Motion/Kollmorgen, Axsys, Moog, Parker, ETEL, Siemens и др. В России наиболее известны встраиваемые моментные двигатели с постоянными магнитами серии ДБМ, выпускаемые компаниями «Машиноаппарат» (http://mashap.maverick.ru ) и «Электрические машины» (http://www.npo-elektromash.ru ), а также модифицированная серия ДБМВ, разработанная компанией «ЭЛМА-Ко» и осваиваемая электромашиностроительным заводом «ЛЕПСЕ» ( http://www.lepse.com ). Моментные двигатели, большей частью для собственных нужд, производятся также компаниями «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР» (http://www.elektropribor.spb.ru ), «НПЦ автоматики и приборостроения» (http://www.npcap.ru ), «ВНИИМЭМ» (http://www.vniimem.com ), «КБ мехатроники» (http://www.kbm36.ru ) и др.

Двигатели серии ДБМ с пазовым статором показаны на рисунке 3. Эти двигатели диаметром от 50 до 185 мм развивают при напряжении питания 27 В пусковой момент до 56 Нм. Конструкция ротора «коллекторного» типа имеет встроенные самарий-кобальтовые магниты, обмотка статора – классическая распределенная. Двигатели ДБМВ имеют аналогичные габаритные и установочно-присоединительные размеры, однако ротор выполнен в виде «звездочки» с поверхностными магнитами, а статор имеет зубцовую сосредоточенную обмотку. Это позволило снизить массу и потребление двигателей.

Особенности двигателей со встроенными и поверхностными магнитами рассмотрены в мартовском выпуске журнала Control Engineering Россия за 2006 г.

Выбор и сравнение моментных двигателей производится по энергетическим и динамическим показателям. Основным энергетическим показателям является статическая добротность по моменту, который легко вычислить по паспортным данным двигателя, как отношение

где: M_S – пусковой момент при любом напряжении, P_S – потребляемая при этом пусковая мощность, m – масса двигателя (статор и ротор). Этот показатель, характеризующий момент, развиваемый двигателем на единицу массы и потребляемой мощности, для современных моментных двигателей находится на уровне 0,2 – 0,3 Н•м/(кг•Вт).

В качестве динамических показателей используют электромагнитную постоянную времени обмотки и электромеханическую постоянную времени двигателя. Первая постоянная определяет время нарастания тока в обмотке и обычно находится в пределах 0,2 – 12 мс, а вторая, равная 1 – 20 мс характеризует время разгона двигателя без нагрузки до скорости холостого хода. Выделение главного показателя зависит от конструкции и назначения сервопривода. Тогда как в редукторном привода больше влияет электромеханическая постоянная времени, то для прямого привода, в котором момент инерции объекта управления, как правило, намного превосходит момент инерции ротора двигателя, более важной является электромагнитная постоянная времени. Например, чтобы получить частоту среза сервопривода более 10 Гц необходимо выбирать двигатель с электромагнитной постоянной не более 8 мс.

 В качестве примера в таблице приведены параметры трехфазных двигателей ДБМ и ДБМВ на номинальное напряжение 27 В, одинакового диаметра 185 мм и близких значений пускового момента и скорости холостого хода. Из таблицы видно, что применение зубцовой сосредоточенной обмотки и поверхностных магнитов в двигателях ДБМВ существенно повышает статическую добротность двигателя, позволяет увеличить внутренний диаметр ротора, снижает электромеханическую постоянную времени, но увеличивает электромагнитную. Повышение статической добротности также достигается применением более мощных магнитов „нежебор”.

Дальнейшее улучшение характеристик моментных двигателей следует ожидать при применении новых электротехнических сталей с индукцией насыщения более 2 Тл и новых изоляционных материалов проводов, позволяющих снизить толщину изоляции, особенно для высоковольтных двигателей.

Встраиваемая конструкция моментных двигателей позволяет легко применять такие двигатели и в редукторных системах. Особенно удачно такой двигатель компонуются вместе с винтовой передачей, гайка которой непосредственно встраивается в ротор моментного двигателя.