Электрические приводы

Что такое привод?

Подавляющее большинство приводов производят либо вращательное или линейное движение. Например, мотор — это тип привода. Правильный выбор приводов для вашего робота требует понимание того, что приводы доступны. Возможно, немного фантазии, и немного математики и физики.Приводы вращения — это тип приводов преобразования электрической энергии во вращательное движение.

Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока (AC) редко используется в мобильных роботах. В первую очередь потому, что большинство из них рассчитаны на питание постоянным током (DC) от батареи.

мотор переменного тока AC

Двигатели переменного тока используются в основном в промышленных помещениях , где требуется очень высокий крутящий момент. Прежде всего там, где моторы подключены к электросети.

Разновидности электроприводов

Не автоматизированный электропривод

При работе подобного устройства все действия по регулировке определенных координат будут выполняться только вручную. Соответственно для работы подобных устройств необходим оператор, который будет следить за работой. Одним из таких устройств является крановый электропривод. Все действия, которые он осуществляет выполняются только оператором.

Автоматизированный электропривод

В автоматизированных приводах присутствуют сигналы обратной связи по координатам или параметрам. Ниже вашему вниманию представлено фото структурной схемы, с помощью которого вы более детально ознакомитесь со всеми процессами.

Схема автоматизированного электропривода

Вот обозначения всех элементов, которые присутствуют на этой схеме:

• ЗА – защитная аппаратура;
• ПЭЭ – преобразователь электрической энергии;
• ДТ – токовый датчик;
• ДН – датчик напряжения;
• СУ ПЭЭ – это система управления преобразователем;
• ПУ – пульт управления;
• ПМ – передаточный механизм;
• РО – рабочий орган;
• ЭД – электродвигатель.

Благодаря такой структуре СУ ПЭЭ управляет не только преобразователем, но и всей системой одновременно. Датчики обратной связи при таком управлении также позволяют обеспечить контроль за параметрами и дают сигналы об этом оператору. Некоторые операции подобная система способна выполнять в автоматическом режиме. Однако все же потребуется присутствие оператора, который осуществит контроль за всеми процессами.

Например, оператор может потребоваться в том случае, если вы решили пуск много конвейерной линии, где конвейеры будут запускаться по очереди. Остановка также должна осуществляться оператором. Как видите, все сигналы обратной связи будут поступать на пульт оператора, который наблюдает за технологическим процессом. Часть из них будет приходить на СУ ПЭЭ для осуществления основных защит и отработки некоторых изменений. Если интересно, тогда можете прочесть про тротуарную плитку, которая генерирует электроэнергию.

Автоматический электропривод

За автоматическим электроприводом не нужно наблюдать оператору, так как он работает полностью в автоматическом режиме. Ниже вы можете увидеть схему, по которой будет осуществляться работа этого устройства.

Схема автоматического электропривода

Исходя из структурной схемы можно сделать вывод о том, что в АСУ ТП приходят все датчики обратной связи. В дальнейшем с помощью этой системы будет происходить обработка сигналов от датчиков и выдача управляющих сигналов для подсистем. Эта структура управления на сегодняшний день является достаточно удобной. Она не требует постоянного внимания оператора и все технологические процессы осуществляются в автоматическом режиме. Например, полностью в автоматическом режиме могут работать модернизированные шахтные подъемные машины.

Выбор привода

Важно отметить, что постоянно появляются новые и инновационные технологии, и нет ничего постоянного

Также обратите внимание, что один привод может выполнять очень разные задачи в разных условиях. Например, с различной механикой

Привод, который производит линейное движение, может быть использован для поворота объекта и назад (как у автомобильных щеток для очистки стекла).

Роботы с колесами или гусеницами

Приводные двигатели для робота должны перемещать вес всего робота и, скорее всего, потребуется понижающая передача. Большинство роботов используют притормаживание колесами одного борта. В то время как автомобили или грузовики, как правило, используют рулевое управление.

роботизированная платформа на колесах

Если вы выберете бортовой поворот, то DC моторы с редуктором являются идеальным выбором для роботов с колесами или гусеницами. Ведь они обеспечивают непрерывное вращение, и могут иметь необязательную обратную связь по положению с помощью оптических энкодеров. Их очень легко программировать и использовать.

Если вы хотите использовать рулевое управление, то вам понадобится один приводной двигатель и один двигатель, чтобы управлять передними колесами. Поворот ограничен определенным углом и можно применить R / C сервомотор.

Робот манипулятор

Мотор используется, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес. Подъем веса требует значительно больше энергии, чем перемещение веса на плоской поверхности. Скорость должна быть принесена в жертву для того, чтобы получить крутящий момент.

робот манипулятор

Поэтому лучше всего использовать редуктор с высоким передаточным отношением и мощный двигатель постоянного тока или линейного привода DC. Можно рассмотреть возможность использования системы (либо червячных передач, или струбцин). Что предотвращает груз от падения в случае потери управления.

Сервоприводы двигателей

Используются если диапазон ограничен до 180 градусов и крутящий момент не является существенным. Р/С мотора сервопривода идеально подходит для таких задач. Серводвигатели предлагаются с различными крутящими моментами и размерами и обеспечивают угловые обратной связи по положению.

Лучше использовать потенциометр, и некоторые специализированные оптические энкодеры. Р/С сервоприводы используются все больше и больше для создания небольших шагающих роботов.

Шаговые двигатели

Используются, когда угол поворота должен быть очень точными. Шаговые двигатели для робота в сочетании с контроллером шагового электродвигателя могут дать очень точное угловое движение. Иногда предпочтительнее серводвигатели, поскольку они обеспечивают непрерывное вращение. Однако, некоторые профессиональные цифровые серводвигатели используют оптические энкодеры. В результате они обладают очень высокой точностью.

Линейные приводы

Линейные приводы являются лучшими для перемещения объектов и расположения их по прямой линии. Они отличаются разнообразием размеров и конфигураций. Для очень быстрого движения можно рассматривать пневматику или соленоиды. Для очень высоких мощностей можно рассматривать линейные приводы постоянного тока и также гидравлику.

Практический пример

• В уроке 1 мы определили цель нашего проекта, чтобы понять какого типа мобильного робота можно сконструировать при небольшом бюджете.
• В уроке 2 мы решили, что мы хотели небольшую платформу на колесах. Во-первых, давайте определим тип привода, который потребуется для создания робота.

Для этого нужно ответить на пять вопросов:

1. Это привод используется для перемещения колесного робота?Да. Нужен мотор-редуктор с управлением при помощи притормаживания одного борта. Это означает, что каждое колесо будет нужно оснастить собственным мотором.
2. Двигатели для робота используются, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес?Нет, настольная платформа не должна быть тяжелой.
3. Диапазон движения ограничивается на 180 градусов?Нет, колеса могут постоянно вращаться.
4. Угол должны быть точными?Нет, наш робот не требует позиционной обратной связи.
5. Это движение по прямой?Нет, поскольку мы хотим, чтобы робот вращаться и двигаться во всех направлениях.

Большой мотор Lego EV3

Всем этим требованиям соответствует большой мотор из базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Свинцово-кислотная новая акб аккумуляторная батарея

Данная батарея представляет собой совокупность отдельных гальванических элементов. В основном электрокары используют свинцово – кислотные батареи с жидким электролитом. Недостатком, которой является, то, что необходимо регулярно добавлять дистиллированную воду до установленного уровня. Именно обслуживание этих аккумуляторных батарей отводит их на второй план. Поэтому «не обслуживаемые» батареи с залитым электролитом все чаще можно найти на автомобиле.

Мировые тенденции развития показывают, что транспорт, оснащенный свинцово-кислотными батареями при работе в городских условиях проходят по 50-70 км между подзарядками. Конечно можно получить дополнительную подзарядку во время стоянок электроавтомобиля.

Химические реакции происходящие в электролите свинцово-кислотной батареи приводят к тому, что уменьшение времени разряда батареи ведет к снижению ее емкости на 22%.

Батареи, которые используются сегодня на электрокарах, имеют свой срок службы от 6 до 8 лет, и цикличность 1300-1600 циклов разряда-заряда. Что касается практики, то долговечность батарей  достигает, максимально 5 лет и примерно 700 зарядных циклов. А в реальности их срок службы составляет всего лишь 1 год.  А разряд таких батарей происходит за 7-8 часов.

Никелевые батареи аккумуляторные батареи

В основном применяются на транспорте общего назначения.  Срок службы данной батареи может составить около 10 лет и 200 зарядно – разрядных циклов. Но данная батарея имеет высокую стоимость из за дорогих материалов из которых она сделана. Также на стоимость влияет сложность технологии производства, но в то же время ее долговечность может возместить нам это. Никель-кадмиевые батареи должны охлаждаться, а если температура ниже — 20  цельсия, подогреваться.  Высокая плотность энергии позволяет уменьшить количество подзарядок и запас хода между ними возрастет до 80-120 км.

На горизонте появляется никель-водородная батарея, где кадмий заменили водородом. Но данный факт мы оставим на перспективу. Возможно этот способ даст хорошие результаты.

Литиевые аккумуляторные батареи.

Литиевые аккумуляторы используются словно тяговая батарея, плотность ее составляет больше 100 Вт*ч/кг и мощность 300 Вт/кг. Каждый элемент батареи имеет напряжение более 5 В.. Применяются в ноутбуках и магнитофонах. К недостаткам можно отнести слабую систему защиты от внешнего воздействия. А фактически необходима установка защиты от короткого замыкания.

Литий-ионная батарея. Ионы  лития сохраняются на отриц. электроде, который имеет форму графитной решетки. Положительный электрод устроен на кобальте и литии, что является самим по себе дорогим удовольствием. Электролит заменяют органические материалы.{jcomments on}

Характеристики

Так как шаговый двигатель не предназначен для непрерывного вращения в его параметрах не указывают мощность. Шаговый двигатель — маломощный двигатель по сравнению с другими электродвигателями.

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель был создан с целью объединить лучшие свойства обоих шаговых двигателей: и , что позволило добиться меньшего угла шага. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала.

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

Статор обычно имеет две или четыре фазы распределенные между парами явно выраженных полюсов. Обмотки статора могут иметь центральное ответвление для униполярного управления. Обмотка с центральным ответвлением выполняется с помощью бифилярной намотки.

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

Заметьте что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину зубцового деления λ относительно другой секции (рисунок ниже). Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 перемежающихся полюсов противоположной полярности.

Ротор гибридного шагового двигателя

Зубья на полюсах статора соответствуют зубьям ротора, исключая отсутствующие зубья в пространстве между полюсами. Таким образом один полюс ротора, скажем южный полюс, можно выровнять со статором в 48 отдельных положениях. Однако зуб южного полюса ротора смещен относительно северного зуба на половину зубцового деления. Поэтому ротор может быть выставлен со статором в 96 отдельных положениях.

Соседние фазы статора гибридного шагового двигателя смещены друг относительно друга на одну четверть зубцового деления λ. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубцового деления во время переменного возбуждения фаз. Другими словами для такого двигателя на один оборот приходится 2×96=192 шага.

• Шаговый гибридный двигатель имеет:
• шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;
• ротор — постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;
• полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;
• статор имеет не менее чем две фазы;
• зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
Н.И.Волков, В.П.Миловзоров. Электромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика».- 2-е изд.- М.:Высш.шк., 1986.

Выводы

В современном мире регулярно внедряют различные АСУ ТП. Специалисты внедряют их не только для электроприводов. Системы с ручным управлением на сегодняшний день встречаются крайне редко. Большинство из них является автоматизированными или полностью автоматическими.

Как видите, жизнь никогда не стоит на месте и производственные технологии стремительно развиваются. Каждый человек должен четко осознавать, что краеугольным камнем в подобных процессах является автоматизированный электропривод. Перспективы развития автоматизированного электропривода внушительны и по данным многих специалистов его популярность будет постоянно увеличиваться.

Рекомендуем изучить: беспроводная зарядка для гаджетов.