Методы расчетов параметров и проектирование мехатронных модулей

Функциональная модель отображает функциональную структуру объекта, т.е. производимые им действия и связи между этими действиями. На рисунках 3.1-3.2 показана функциональная модель выбора двигателя мехатронного модуля с использованием специализированного пакета BPWin.

Рисунок 3.1 – Диаграмма нулевого уровня

На рисунке 3.4 показан алгоритм проектирования мехатронного модуля и место расчета параметров приводов в этом алгоритме.

Для того, чтобы выбрать двигатель, необходимо определить критерии, которым он должен удовлетворять.

Выбрать тип электродвигателя можно, ответив на несколько общих вопросов, указанных в таблице 3.1.

Рисунок 3.2 - Диаграмма нулевого уровня функциональной модели

Большинство электродвигателей представляют собой реверсивный коллекторный мотор. В этот мотор встраивается планетарный, цилиндрический или червячный редуктор. Мощность электродвигателей колеблется от 0,4 до 700 Вт, крутящий момент от 19 г*см (0,0019Н*м) до 600 кг*см (60Н*м).

Область использования мотор-редуктора - механизмы и устройства, которые не нуждаются в абсолютно точном позиционировании. Все электродвигатели имеют свои характеристики, габаритные размеры, и соответственно разные цены. Мотор-редукторы хорошо распространены по всей России. Итак, электродвигатель или мотор-редуктор, в общих чертах, - это собственно двигатель и редуктор. Существуют реверсивные мотор-редукторы, состоящие из редуктора и коллекторного электрического двигателя постоянного тока. Сам двигатель состоит из статора с постоянными магнитами, якоря и щёточного узла. Основная задача редуктора - уменьшение частоты вращения и соответствующего увеличения вращающего момента. В корпус редуктора встроена одна (несколько) передач зацеплением с постоянным передаточным отношением (числом).

Таблица 3.1 - Выбор типа электродвигателя

Критерий	Тип двигателя
Требуется ли точное позиционирование?	шаговый двигатель или сервопривод;
Требуется ли очень высокая точность?	крайне высокая точность или разрешающая способность - серво – двигатель;
	если точности 0,09 град. будет достаточно, -шаговый двигатель;
Требуется ли плавное движение, особенно на маленьких скоростях?	да - сервопривод; нет - шаговый двигатель;
критична ли цена устройства?	да - шаговый двигатель; нет - сервопривод.
Какое напряжение питания предпочтительно? Сеть постоянного тока	асинхронный двигатель от источника постоянного тока;
Питание от источника постоянного тока	бесколлекторный двигатель;
Есть ли требования к ресурсу устройства, его долговечности? Если достаточен ресурс 4000 - 6000 часов,	коллекторный двигатель с редуктором;
Требуется ресурс более 20000 часов	бесколлекторный двигатель;
Предполагается использовать электродвигатель для простого вращения, например для витрины, рекламных конструкций, вентиляторов, для перемешивания	мотор-редуктор с коллекторным двигателем.
То же самое, но есть требования к надежности и ресурсу: предпочтительно питание от сети 12 В	асинхронный мотор-редуктор;
Нужен привод для реализации работы двигателя по заданной программе: переместить в определенную позицию, выполнить реверс, приостановить работу на заданное время, продолжить работу с измененной скоростью. Такие алгоритмы используются, например, в намоточном оборудовании, в протяжке лент, проволоки, фольги и подобных устройствах, в сварочных автоматах	шаговый двигатель;

Продолжение таблицы 2.1

Привод нужен для работы станка или координатного стола	шаговый привод;
Устройство предъявляет повышенные требования к точности, плавности и требует сложных алгоритмов работы	сервопривод.

Его характеристики: мощность (от 0,4Вт до 700Вт), напряжение питания (3В, 12В, 24В), скорость (от 2 до 2550 об/мин.), крутящий момент (от 20г*см до 600 кг*см).

Двигатели постоянного тока могут быть с планетарным редуктором, цилиндрические или червячные.

На современных моделях автомобилей устанавливаются электродвигатели стеклоочистителей с постоянным магнитом, в то время как на более ранних моделях устанавливались двигатели с электромагнитами. Постоянные магниты современных электродвигателей изготавливаются из специальной керамики в стальном цилиндрическом корпусе и имеют достаточно большую мощность. Преимущества двигателей с постоянным магнитом заключаются в меньшем потреблении электроэнергии, а также в большей надежности.

Шаговый электродвигатель - это электромеханическое устройство, преобразующее электрический сигнал управления в дискретное механи­ческое перемещение. Существует несколько основных видов шаговых дви­гателей, отличающихся конструктивным исполнением:

- шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением

- шаговые двигатели с постоянным магнитным сопротивлением.

- гибридные двигатели.

Принцип работы у всех этих двигателей примерно одинаков и доста­точно прост. Шаговый двигатель имеет несколько полюсов на статоре и ротор из магнитно-мягкого материала (реактивный ротор). При подаче электрического тока в одну из обмоток, ротор стремиться занять положение, при котором возникший магнитный поток будет замкнут. То есть зубья ротора будут находиться прямо напротив тех полюсов статора, на обмотки которого подан ток. Если выключить ток в этой обмотке и подать его в следующую обмотку, то ротор повернется, чтобы в очередной раз замкнуть магнитный поток своими зубьями. Для непрерывного вращения ротора необходимо попеременно подавать электрический ток в 1, 2 и 3 об­мотки, при этом шаг вращения для представленного двигателя составит 30 градусов.

Кроме уникального разнообразия типоразмеров и передаточных чисел мотор-редукторы обеспечивают исключительную надежность, высокую нагрузочную способность и долговечность - результат многолетнего опыта в серийном производстве. Две с половиной тысячи комбинаций модульной системы обеспечивают полную свободу выбора, каким бы ни был способ крепления и интеграции в приводную систему. Такое исключительное разнообразие вариантов задает новые масштабы в этой области приводной техники. С четырнадцатью типоразмерами двигателей наши мотор-редукторы с диапазоном вращающего момента от 0,03 до 600 кгс*см всегда гарантируют оптимальное соотношение мощности и занимаемого пространства. Область применения приборных мотор-редукторов: средства автоматизации и системы управления, устройства регулирования, автоматические и автоматизированные системы управления, следящие мини-приводы, средства обработки и представления информации, специальные инструменты, медицинская техника.

Большинство современных шаговых электродвигателей являются гибридными, то есть сочетают достоинства двигателей с переменным маг­нитным полем и двигателей с постоянными магнитами, имеют гораздо боль­шее число полюсов статора и зубьев ротора, что обеспечивает меньший шаг вращения.

Когда подсистема управления посылает шаговому двигателю электри­ческий импульс, то происходит поворот на определенный угол, который за­висит от конструкции двигателя (например, 0.7 град.). Эта величина называется разрешением системы или ценой импульса. Нельзя переместить исполни­тельный орган на величину меньшую, чем разрешение системы. Таким обра­зом, существует прямая взаимосвязь между двигателем и точностью перемещений исполнительных элементов.

Простота конструкции и легкость управления сделали шаговые элек­тродвигатели очень популярными.

Рисунок 3.5 - Алгоритм выбора позиционного привода

Электродвигатели с постоянным магнитом бывают односкоростными и двухскоростными.

Односкоростные двигатели имеют две щетки, расположенные друг напротив друга.

Двухскоростные двигатели имеют три щетки, причем дополнительная щетка расположена под небольшим углом относительно одной из щеток и имеет меньшую ширину. Напряжение, подаваемое на дополнительную щетку, увеличивает скорость вращения электромотора.

Двухскоростную работу двигателя можно обеспечить также за счет последовательного подключения добавочного резистора в обмотку возбуждения или последовательно с двигателем.