2.7. Исполнительные устройства

Исполнительные устройства служат для преобразования управляющего сигнала в перемещение органа регулирования. По характеру перемещения органа регулирования исполнительные устройства делятся на прямоходные и поворотные. По виду потребляемой энергии их классифицируют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (электрогидравлические и электропневматические).

Наиболее надежными являются гидравлические устройства. Конструктивно гидравлические и пневматические устройства выполняются в виде мембранных, поршневых, сильфонных и лопастных устройств. Они позволяют получать наибольшее усилие для перемещения органа регулирования.

К электрическим исполнительным устройствам относятся электромагнитные и электромашинные устройства.

Электромагнитные исполнительные устройства – это реле, соленоиды и электромагнитные муфты.

Реле – элемент, в котором изменение входной электрической величины преобразуется в механическое перемещение, замыкающее или размыкающее контакты. Электромагнитные реле применяются для переключения мощных цепей тока, и их называют контакторами.

Соленоид (рис. 2.7.1)– это катушка с подвижным якорем. При подаче напряжения на соленоид (на катушку) якорь приходит в движение и перемещает орган регулирования.

Передаточная функция соленоида

W(s)=Xвых(s)/Uвх(s)=kс/[(1+sTэ)(1+T2s+T12s2)],

(2.7.1)

где X_вых(s) – перемещение якоря; T_э=L₀/R₀ – постоянная времени электромагнита; L₀ и R₀ – активное сопротивление и индуктивность катушки, соответствующее начальному положению якоря; T₁=√m/k_п (m – масса подвижных частей; k_п – жесткость пружины); T₂=k_д/k_п, здесь – k_д – коэффициент демпфирования); k_с=2k₀I_у/k_пR₀ – коэффициент передачи соленоида (k₀ – коэффициент пропорциональности между силой электромагнита и током управления I_у в катушке).

Рис. 2.7.1

В системах автоматики применяются электромагнитные муфты следующих типов: фрикционные (рис. 2.7.2), скольжения (рис. 2.7.3) и порошковые муфты (рис. 2.7.4).

Рис. 2.7.2 Рис. 2.7.3 Рис. 2.7.4

Фрикционная муфта состоит из двух полумуфт, насаженных на ведущий и ведомый валы. Ведущая полумуфта изготовлена из немагнитного материала, она механически жестко соединена с ведущим валом и содержит обмотку управления. Ведомая полумуфта изготовлена из ферромагнетика и механически, на шлицах по скользящей посадке, насажена на ведомый вал. Когда на обмотку ведущей полумуфты подается напряжение, то полумуфты притягиваются и благодаря трению между ними ведомая полумуфта приводится во вращение, перемещая орган регулирования.

В муфтах скольжения полумуфты изготовлены как и в фрикционных муфтах, но ведомая полумуфта неподвижно насажена на ведомый вал, момент вращения на ведомый вал передается за счет магнитного поля, создаваемого обмоткой. При этом в результате двух магнитных полей в полумуфтах возникает момент вращения, приводящий в движение ведомый вал.

Принцип действия порошковой муфты основан на изменении вязкости ферромагнитного порошка, заполняющего зазоры муфты. Когда на обмотку управления подается напряжение U_у, то изменяется вязкость ферромагнитной массы и возникает сила сцепления между полумуфтами, при возрастании тока управления возрастает и момент, передаваемый на ведомый вал. При I_у=0 момент М≠0, а при М₀=0,01М_max, что объясняется наличием трения в порошке. Для обеспечения линейности зависимости M=f(I_у) создают начальный ток подмагничивания.

Передаточная функция порошковой муфты

W(s)=ω(s)/Uу(s)=kм/[Tуs+1)(Tмs+1)],

(2.7.2)

где ω(s) – угловая скорость ведомого вала (рад/сек); k_м – коэффициент передачи муфты, определяемый по характеристике М=f(I_у); T_у=L_у/R_у – постоянная времени обмотки управления; T_м=Jω_ном/М_ном – механическая постоянная времени (здесь J – суммарный момент инерции, приведённый к ведомому валу).

Если за выходную величину принять угол поворота Θ ведомого вала, то передаточная функция принимает вид

W(s)=kм/[Tуs+1)(Tмs+1)],

(2.7.3)

т. к. Θ=∫ωdt. Значение Т_м≈0,03÷0,25 сек.

К электромашинным исполнительным устройствам относятся двигатели различных типов. Двигатели постоянного тока обычно используются в системах совместно с электромашинными усилителями (ЭМУ). Для управления такими двигателями используют тиристорные преобразователи. Двигатели переменного тока применяют в системах автоматического управления (АУ) различных классов благодаря их простоте, надежности, малой инерционности и удобства управления.

Из двигателей постоянного тока (рис. 2.7.5) используются двигатели с независимым возбуждением. В них управление может осуществляться или со стороны якоря (якорное управление), или со стороны обмотки возбуждения (ОВ) (полюсное управление). В первом случае U_вх=U_я, а U_в=const, а во втором U_вх=U_в, а U_я=const. Изменение направления и частоты вращения осуществляют путём изменения полярности и амплитуды U_вх.

Полюсное управление по сравнению с якорным позволяет уменьшить мощность усилительного устройства, но при этом ухудшается быстродействие. Поэтому управление со стороны якоря находит более широкое применение. Вращающий момент М_вр двигателя

Мвр=с1IяФя,

(2.7.4)

где Ф_я – поток возбуждения, I_я – ток якоря, а c₁ – коэффициент пропорциональности. При Ф_я=const М_вр=с'₁I_я.

Если считать момент нагрузки М_н=0, то М_вр расходуется на преодоление инерции якоря и приводимого в движение органа регулирования, т. е.

М=J(dω/dt),

(2.7.5)

где J – приведённый момент инерции (Н×м×с²), ω – угловая скорость вала двигателя (рад/с).

Уравнение цепи якоря имеет вид

Uя=IяRя+Lя(dIя/dt)+e,

(2.7.6)

где L_я и R_я – индуктивность и активное сопротивление якоря, а е=с²ω – противо- э. д. с.

Дифференциальное уравнение двигателя, связывающее скорость вращения вала с напряжением управления U_я, имеет вид

TяTм(d2ω/dt2)+Tм((dω/dt)+ω=kдUя,

(2.7.7)

где T_я=L_я/R_я – постоянная времени цепи якоря; T_м=IR_я/(c₁c₂)=I(ω_ххM_п) – электромеханическая постоянная (здесь ω_хх – угловая скорость якоря на холостом ходу; M_п – пусковой момент двигателя), а k_д=1/с₂= ω_хх/U_{я ном} – коэффициент передачи. Тогда передаточная функция двигателя имеет вид

W(s)=ω(s)/Uя(s)=kд/(TяTмs2+Tмs+1).

(2.7.8)

Если за выходную величину двигателя считать угол поворота вала (якоря) Θ, то

W(s)=Θ(s)/Uя(s)=kд/(TяTмs2+Tмs+1).

(2.7.9)

Постоянная цепи якоря Т_я=(2÷5)10^-3 с., а Т_м=(2÷15)10^-2 с – постоянная электромеханическая. Т. к. Т_я<Т_м, то передаточная функция принимает вид

W(s)=ω(s)/Uя(s)=kд/(Tмs+1),

(2.7.10)

при этом двигатель эквивалентен апериодическому звену.

Из двигателей переменного тока наиболее распространены индукционные двигатели (рис. 2.7.6). Эти двигатели имеют две обмотки статора – обмотку возбуждения (ОВ) и обмотку управления (ОУ), они расположены в пространстве под углом 90º.

Рис. 2.7.5 Рис. 2.7.6

ОВ питается от сети ~I, а ОУ –от усилителя системы, причем U_у сдвинуто относительно U_в по фазе на 90º. Амплитуда U_в=const, а U_у=varia и пропорциональна изменениям управляемой величины. Ротор такого двигателя выполняется в виде полого тонкостенного алюминиевого или стального цилиндра или в виде беличьей клетки. При взаимодействии эллиптического поля, создаваемого обмотками статора, с полями вихревых токов, наводимых в роторе, возникает момент, приводящий в движение ротор, который перемещает регулирующий орган.

В динамическом отношении асинхронный двухфазный двигатель рассматривается как апериодическое звено, если за выходную величину принята ω вала двигателя, т.е. передаточная функция представима зависимостью

W(s)=ω(s)/Uу(s)=kд/(Tмs+1).

(2.7.11)

Если же выходной величиной является Θ, то

W(s)=kд/[s(Tмs+1)].

(2.7.12)

Постоянные времени двухфазных двигателей представлены в табл. 2.7.1:

Таблица 2.7.1

Тип ротора	f тока в цепи возбуждения, Гц	Постоянная времени, сек
Полый немагнитный	50 400÷500	0,006÷0,03 0,025÷0,1
Полый стальной	50 400÷500	1÷2 1,5÷3,0
Типа «беличье колесо»	50 400÷500	0,1÷0,2 0,3÷1,5

Шаговый электродвигатель (ШД), импульсный, синхронный, в котором импульсы тока подаются в обмотки возбуждения статора, преобразуются в дискретные угловые или линейные перемещения (шаги) ротора. Конструктивно ШД бывают с явно- и неявнополюсным статором, на котором расположены обмотки возбуждения (ОВ), и с ротором без обмотки, выполненным из магнитомягкого материала (реактивный ротор) или из магнитожесткого материала (активный ротор).

Импульсы тока от источника энергии через коммутатор подаются на обмотки возбуждения статора, в результате чего ориентация магнитного потока в пространстве между полюсами изменяется дискретно, вызывая смещение ротора на некоторый угол (на некоторое расстояние), называемое шагом.

Шаг ШД зависит от числа ОВ, а также от числа выступов на реактивном роторе, от числа активных полюсов при активном роторе. Для ШД с реактивным ротором шаг обычно составляет (1,5÷3,0) угловых градуса, а с активным достигает – 15º. ШД с активным ротором обладают более высоким вращающим моментом и обеспечивают фиксацию положения ротора при обесточенных обмотках.

ШД входят в состав шаговых электроприводов, в частности они используются в механизмах станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Развитие систем ЧПУ и телеметрических систем создало широкие возможности для применения ШД, преобразующих унитарный код (последовательность импульсов) в пропорциональное перемещение механизма.

Системы АУ с ШД можно разделить на две группы:

а) системы, в которых ШД выполняют функцию преобразования унитарного кода в фазомодулированный сигнал или другой вид информации. К этим системам относятся устройства, в которых ШД вращает сельсин, поворотный или дифференциальный трансформатор;

б) системы, в которых ШД используется для привода исполнительного механизма непосредственно или через усилитель момента. К этим системам относятся приводы подач станков, старт-стопных лентопротяжных механизмов, индексирующие устройства счетчиков, управление затворами и задвижками, синхронизация вращения валов с регулируемым по программе передаточным отношением.

В общем случае ШД совместно с управляющим электронным коммутатором можно рассматривать как систему частотного регулирования синхронного двигателя с возможностью фиксации углового положения ротора.

Существуют разомкнутые системы ШД (рис. 2.7.7) и следящие (рис. 2.7.8).

Рис. 2.7.7

Рис. 2.7.8

Преимущества использования ШД:

1) повышение надежности за счет сокращения аппаратной избыточности;

2) сокращение стоимости по причине п. 1;

3) упрощение САУ за счет сокращения функциональных связей;

4) увеличение точности дискретного перемещения, обусловленное фиксацией ротора ШД при его остановке.

Недостатки – незначительные вращающие моменты (0,008÷3,0) кгм.

ШД бывают одно-, двух-, трех- и многофазные. Отечественные ШД – ШДЭ-0,1; ШД-4Б; ШД-5 и др.

Пневмо- (гидро-) привод (рис. 2.7.9) включает прямоходный или поворотный статический пневмо- (гидро-) цилиндр, шток которого связан с регулирующим органом, распределитель воздуха (гидромассы), устройство подготовки воздуха (гидромассы) и нагнетающий насос, а в гидроприводе и емкость с гидромассой (обычно с маслом).

Усилие на штоке

F=πp(Dц2-dшт2)/4,

(2.7.13)

где p – давление. Время срабатывания

T=vL(Dц2–dшт2)/dдр2,

(2.7.14)

где d_др – диаметр дросселирующего отверстия, а L – ход поршня. Скорость распространения сжатого воздуха

V=(1,0÷1,5) 104 мм/сек.

(2.7.15)

Рис. 2.7.9 Рис. 2.7.10

Электромеханический привод (см. рис. 2.7.10) содержит магнитный пускатель (МП), асинхронный электродвигатель (АД), коммутатор (К), автоматическую коробку скоростей (АКС), соединенную через К с МП, через муфту (М) с АД, а с выходным валом – через кинематическую пару «винт/гайка» (в/г) с РО.