Двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

Содержание: Введение 1 Конструкция ЛШД индукторного типа Совмещенная и разнесенная нарезка зубцов индуктора Математическая модель описания ЛШД Расчет геометрии ЛШД Построение скоростной траектории движения ЛШД Проверка выполнения ограничений Постановка задачи структурного синтеза Структура ПСАПР ЛШД Выходные параметры ЛШД Алгоритм проектирования ЛШД в ПСАПР Исходные данные для проектирования ЛШД

Шаговые двигатели преобразуют электромагнитную энергию якоря в поступательное перемещение. Наилучшим образом это достигается применением двухкоординатных шаговых двигателей, суммирующих на одном подвижном элементе независимые перемещения по различным координатам. Общим принципом построения двухкоординатных шаговых двигателей является объединение якорей и индукторов однокоординатных шаговых двигателей при полной разобщенности или слабой связи их систем в магнитном отношении.

Рассмотрим простейший пример конструкции ЛШД индукторного типа.

Над пассивной магнитомягкой плитой с совмещенной нарезкой зубцов по осям Х, У расположен якорь, несущий два элементарных модуля, обеспечивающих движение по различным координатам. Модуль содержит постоянный магнит возбуждения, два Ш-образных шихтованных магнитопровода, каждый полюсный выступ которого снабжен зубцами с шагом, равным шагу зубцов на клише-индуктора.

Сдвиг зубцов крайних полюсов Ш-образного магнитопровода относительно зубцов среднего полюса равен π рад. Сдвиг зубцов соседних полюсов, принадлежащих разным модулям, составляет π/2 рад. На среднем полюсе магнитопровода расположена катушка, которая в случае однополярного четырехфазного управления расщеплена на две встречно включенные, причем каждая из них образует фазу. 1 - постоянный магнит 2 - Ш-образный шихтовальный магнитопровод 3 - катушка

Модули объединяются общим корпусом в подвижный якорь. Простейший ЛШД обеспечивает движение по координатам Х, У, но движение неустойчиво. Для достижения устойчивости количество элементарных модулей увеличивается и располагают их симметрично относительно центра якоря. Для компактности Ш-образные магнитопроводы, принадлежащие разным координатам, могут чередоваться в шахматном порядке, иметь отдельные магниты возбуждения и общее для всех ярмо, замыкающее поток возбуждения. При этом контуры замыкания потоков всех фаз и их индуктивности максимально симметрируются, что увеличивает быстродействие и точность перемещения.

1 - зубцы совмещенной нарезки Для реализации перемещений на небольшом рабочем пространстве ЛШД выполняют с разнесенными зубчатыми поверхностями индуктора, а также разнесенными модулями по одной или двум координатам. Индуктор, вид сверху (пассивная магнитомягкая плита)

Варианты с совмещенной и разнесенной нарезками зубцов индуктора и соответствующим взаимным расположением модулей якоря.

Разнесенная нарезка зубцов индуктора. L ИX - длина индуктора ЛШД по оси ОХ L ИУ - длина индуктора ЛШД по оси ОУ Х MAX - максимальная величина хода якоря ЛШД по оси ОХ У MAX - максимальная величина хода якоря ЛШД по оси ОУ L ЯX - длина якоря ЛШД по оси ОХ L ЯУ - длина якоря ЛШД по оси ОУ l - длина модуля b - ширина модуля h - расстояние между модулями Схема 1.1 Схема 1.2

Совмещенная нарезка зубцов индуктора. Схема 2.1Схема 2.2 Схема 2.3 L ИX - длина индуктора ЛШД по оси ОХ L ИУ - длина индуктора ЛШД по оси ОУ Х MAX - максимальная величина хода якоря ЛШД по оси ОХ У MAX - максимальная величина хода якоря ЛШД по оси ОУ L ЯX - длина якоря ЛШД по оси ОХ L ЯУ - длина якоря ЛШД по оси ОУ l - длина модуля b - ширина модуля h - расстояние между модулями

Математическая модель описания ЛШД.

Основными характеристиками описания ЛШД являются следующие: 1. Максимальная тяговая динамическая сила: F дин.max = (F дин.1 + F дин F дин.n ) F дин.1 - динамическая сила первого модуля, F дин.n - динамическая сила последнего модуля, n - число модулей в конструкции. 2. Ускорение двигателя: A = F дин.max / (M n + M нк ) M n - общая масса позиционера, M нк - масса нагрузки. 3. Общая масса позиционера: M n = (M я 100%) / 80% M я - масса якоря. Чугунов Володька:

4. Масса якоря: M я = (M 1 + M M n ) M 1 - масса первого модуля, M n - масса n-го модуля, 5. Время выхода на заданную скорость: t = U доп / A U доп - максимально допустимая скорость передвижения. 6. Расстояние движения с установившейся скоростью: S пер = S - 2 S разг S - заданное рабочее расстояние перемещения. 7. Время перемещения с заданной скоростью: t пер = S пер / U доп 8. Общее время перемещения: t общ = t пер + 2 t

Расчет геометрии ЛШД.

Разнесенная нарезка зубцов (2 варианта) 1 вариант (схема 1.1)

Разнесенная нарезка зубцов (2 варианта) 2 вариант (схема 1.2)

Совмещенная нарезка зубцов (3 варианта) 1 вариант (схема 2.1)

Совмещенная нарезка зубцов (3 варианта) 2 вариант (схема 2.2)

Совмещенная нарезка зубцов (3 варианта) 3 вариант (схема 2.3)

Построение скоростной траектории движения ЛШД.

Для построения скоростной траектории движения ЛШД из выходных параметров выбираются следующие: S разг - расстояние разгона, S пер - расстояние перемещения, t общ - общее время перемещения, А - ускорение. По следующим формулам определяются недостающие параметры: 1. время выхода на заданную скорость: 2. Установившая скорость перемещения: U = A t Построение траектории движения ЛШД

Проверка выполнения ограничений.

К ограничениям относятся: 1. Ограничение по массе позиционера: S (1) = M доп + M п M доп - максимально допустимая масса позиционера M п - масса позиционера 2. Ограничение на ускорение: S (2) = A доп + A д А доп - максимально допустимое ускорение двигателя А д - ускорение двигателя 3. Ограничение на расстояние перемещения с установившейся скоростью движения ЛШД: S (3) = S - S пер - A д t 2 S пер - расстояние перемещения с установившейся скоростью S - общее расстояние перемещения t - время выхода на допустимую скорость

4. Ограничение на размеры якоря по оси ОХ и ОУ: S(4) = L ИХ - X MAX - L ЯХ S(5) = L ИУ - У MAX - L ЯУ L ИХ, L ИУ, X MAX, У MAX, L ЯХ, L ЯУ - геометрические размеры якоря

Структура ПСАПР ЛШД.

Подсистема предназначена для синтеза оптимального варианта структуры ЛШД на базе стандартных электромагнитных модулей в случае заданной топологии их расположения. Структура ЛШД состоит из пяти основных блоков: ¶Блок ввода и анализа ТЗ, в котором производится ввод исходных данных, проверка правильности ввода ТЗ, настройка системы на главную цель работы по одному из методов синтеза. ·Блок модулей ЛШД, содержащий набор модулей совмещенного и разнесенного типа конструкций и хранящий информацию о каждом модуле. ¸Блок математической модели ЛШД. Он содержит набор модулей по расчету характеристик ЛШД различных структур.

¹Блок методов структурного синтеза ЛШД, который содержит различные методы синтеза структуры устройства, позволяющие производить формирование структуры и топологии расположения модулей, а также определять количество модулей в сформированной структуре ЛШД по двум различным координатам. ºБлок анализа и вывода результатов проектирования.

Постановка задачи структурного синтеза.

При проектировании ЛШД составляется вектор структурных переменных,характеризующий один из возможных вариантов типа электромеханического устройства Y = (Y 1, Y 2,..., Y m ) m - число структурных переменных. Каждая структурная переменная имеет дискретные значения. Назначение вектора структурных переменных происходит одним из методов синтеза, который выбирается проектировщиком. При синтезе ЛШД вектор структурных переменных представляет собой Y = (Y 1, Y 2,Y 3 ) где Y 1 - тип структуры : Y 1 = 1, 2

1 - конструкция с разнесенной нарезкой зубцов индуктора (схемы 1.1, 1.2) 2 - конструкция с совмещенной нарезкой зубцов индуктора (схемы 2.1, 2.2, 2.3) Y 2 - варианты структур Y 3 - типы модулей В процессе формирования структуры и состава модулей проводится оценка возможного варианта по ограничениям, наложенным на основные параметры ЛШД.

Критериями оптимальности при проектировании являются: 1. Минимизация общего времени движения Q 1 = min t общ, где t общ = t п + 2 t t п - время движения с заданной скоростью, t - время выхода на заданную скорость. 2. Минимизация времени разгона Q 2 = min S разг, где S разг - расстояние разгона

Алгоритм проектирования ЛШД в ПСАПР.

Основными этапами преобразования информации являются следующие: ¶Выбор режима работы подсистемы: а) автоматический, б) интерактивный. ·В автоматическом режиме работы выбор метода структурного синтеза: а) метод перебора, б) метод Гауса - Зайделя, в) метод покоординатной оптимизации. ¸В интерактивном режиме предлагается: а) автоматический выбор модуля ЛШД для назначенной структуры ЛШД, б) выбор модуля ЛШД в режиме диалога.

¹Ввод ТЗ на проектирование ЛШД. ºФормирование структуры ЛШД. »Определение состава модулей ЛШД. ¼Расчет характеристик ЛШД. ½Анализ выходных показателей ЛШД. ¾Выбор наилучшего варианта проектного решения. ¿Вывод результатов проектирования на дисплей.

Исходные данные для программы проектирования ЛШД. Выходные параметры ЛШД.

Данные технического задания: ¶L ИX - длина индуктора ЛШД по оси ОХ (мм); ·L ИУ - длина индуктора ЛШД по оси ОУ (мм); ¸Х MAX - максимальная величина хода якоря ЛШД по оси ОХ (мм); ¹У MAX - максимальная величина хода якоря ЛШД по оси ОУ (мм); ºM нк - масса нагрузки на якорь ЛШД (мм); »S - рабочее расстояние перемещения якоря ЛШД (мм); ¼h - расстояние между модулями ЛШД (мм).

Ограничения на основные параметры: ¶М доп - максимально допустимая масса позиционера (кг); ·А доп - максимально допустимое ускорение ЛШД (м/с 2 ); ¸U доп - максимально допустимая скорость ЛШД (м/с); ¹t доп - максимально допустимое время перемещения на рабочее расстояние (с); Критерий оптимальности: Q Тип конструкции: N

Тип конструкции: Вариант структуры: ¶t - время выхода на допустимую скорость (с); ·S разг - расстояние разгона ЛШД (мм); ¸S пер - расстояние перемещения ЛШД (мм); ¹t общ - общее время перемещения ЛШД (с); ºА - ускорение ЛШД (м/с 2 ); »М я - масса якоря (кг); ¼F max - максимальное статическое усилие (кг); ½L ЯX - длина якоря ЛШД по оси ОХ (мм); ¾L ЯУ - длина якоря ЛШД по оси ОУ (мм); Также на выходе имеем параметры выбранного из библиотеки модуля. Выходные параметры ЛШД: