Разработка узла привода спектральных фильтров

Узел привода и принцип работы его в устройстве, используемом в космической отрасли. Выбор электродвигателя и узел привода спектральных фильтров. Реверсивные шаговые двигатели и режимы их работы. Меры безопасности и оптимальная работоспособность.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Разработка узла привода спектральных фильтров

Введение

Целью моей работы является разработка узла привода спектральных фильтров. Основной функцией этого прибора является установка требуемого фильтра в фильмовой канал. Разрабатываемый узел будет использоваться в оптическом стенде, который служит для имитации условий фотосъемки земной поверхности из космоса.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ВЫБОР АНАЛОГА

Целью моей работы является разработка узла привода спектральных фильтров. Соответственно данное устройство будет иметь следующую схему: двигатель передает вращение на редуктор, который в свою очередь двигает плиту с фильтрами.

Существует 2 типа таких устройств:

1. Реечное

Привод посредством реечной передачи двигает рейку с фильтрами

2. Дисковое

Привод посредством цилиндрической передачи вращает диск с фильтрами

Т.к. устройство будет использоваться в космической отрасли, то важнейшим критерием является компактность. Данному критерию подходит дисковое устройство, т.к. расположение фильтров по кругу будет более компактным, чем расположение на одной линии (рейке). Также под диском можно расположить редуктор и двигатель, что невозможно при реечном исполнении. Реечное устройство будет более сложным в исполнении, т.к. необходимо использование концевиков, чтобы ход рейки был ограниченным, иначе двигатель её может выбить. Алгоритм поиска фильтра также проще реализован в дисковом устройстве (в реечном каждый цикл необходимо возвращать рейку в начальное положение, после чего отсчитывать нужный фильтр, в дисковом же вращение идет по кругу, поэтому возвращать диск в исходное положение не нужно).

В соответствии со всем вышеуказанным я буду использовать аналог с приводом диска, т.к. он полностью удовлетворяет исходным данным.

Для определения номера текущего фильтра в канале будет использоваться потенциометр.

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛА ПРИВОДА СПЕКТРАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ

2.1. Принцип работы

На блок управления подается информация об установке требуемого фильтра в канал. С потенциометра запрашивается информация о номере текущей позиции. Исходя из полученной информации, блок управления подает питание на двигатель, сверяясь с показаниями потенциометра, так, чтобы в канал был установлен требуемый фильтр (показания потенциометра соответствуют полученным при юстировке для данного номера фильтра).

2.2 Выбор электродвигателя

Выбираем электродвигатель согласно расчету мощности двигателя:

Во всем устройстве использованы двигатели ДШИ 200-1-2(6 шт). Исходя из полученных данных, а также учитывая требования унификации и стандартизации в этом узле, выбираем так же двигатель ДШИ 200-1-2, т.к. он подходит по габаритным данным и мощности.

Характеристики двигателя ДШИ-200-1

Выбранный нами двигатель относится к шаговым двигателям.

Шаговые двигатели - это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. Современные шаговые двигатели являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

Принцип действия простейшего однофазного шагового двигателя.

Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор (рис.1). Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой - находится обмотка управления. Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов Фпм.

Риунок 1. Простейший однофазный шаговый двигатель

При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток Фу примерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов. Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, т.к. магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем в обратном. Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов. Достоинством однофазных шаговых двигателей с постоянными магнитами является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200-300 Гц. Их недостатки - низкий КПД и невозможность реверса.

Реверсивные шаговые двигатели.

Для осуществления реверса зубцы статора и ротора шагового двигателя должны быть симметричными (без клювообразных выступов). Рассмотрим работу двухфазного двухполюсного шагового двигателя с активным ротором в виде постоянного магнита. Будем считать, что намагничивающие силы фаз (НС) распределены по синусоидальному закону. При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент Мс = Mmaxsinq, где q - угол между осью ротора и вектором НС. При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 2, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернуться на 90°(второй такт на рис. 2). При включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт на рис. 2) НС и ротор повернутся еще на 90° и т.д. Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол

qн= arcsin(MH/Mmax ).

В зависимости от типа электронного коммутатора управление шаговым двигателем может быть: одноплярным или разнополярным; симметричным или несимметричным; потенциальным или импульсным. При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном - от -U до +U. Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным - если разное. При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов.

При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством. Магнитоэлектрические шаговые двигатели удается выполнить с шагом до 15°.Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в редукторных (индукторных) шаговых двигателей.

Индукторные шаговые двигатели выполняются с числом фаз m = 2-4. Они имеют зубчатый ротор с равномерно расположенными zp зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2р/ (mzp) (рис.3). Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов. Основной особенностью индукторных двигателей является то, что магнитное поле в зазоре содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая поля возбуждается либо постоянной составляющей тока обмоток управления - у двигателей с самовозбуждением, либо специальной обмоткой возбуждения - у двигателей с независимым возбуждением, либо постоянными магнитами - у магнитоэлектрических двигателей. Переменная составляющая магнитного поля создается импульсами тока обмоток управления, поступающими от электронного коммутатора.

Основные параметры и характеристики шаговых двигателей.

Специфика конструкции шаговых двигателей и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам - предельным механическим и предельным динамическим. Частота собственных круговых колебаний - это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки. Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J, амплитуды максимального синхронизирующего момента Мmах, числа пар полюсов р. Период собственных круговых колебаний, равный 1/w0, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции J определяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Мmах дает характеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар полюсов р определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового дви...