RU1774821C - Линейный следящий электропривод - Google Patents

Abstract

Использование: в качестве исполнительного уп в системах автоматического управления различного назначения, например, в робототехнике, для управления трубопроводной арматурой, в машиностроении. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит три контура регулирования: главный, образованный элементом сравнения 2 и датчиком положения 20 и два подчиненных: тока и мощности. Первый подчиненный контур тока включает регулятор тока 4, первый 14 и второй 15 датчики тока, вычислительный блок 7 и датчик ускорений 21. Второй подчиненный контур регулирования мощности включает регулятор мощности 3 и датчик мощности, состоящий из двух датчиков тока 14 и 15, двух датчиков напряжения 10 и 11 и двух блоков перемножения 12 и 13. В любом режиме работы электропривода сигнал, пропорциональный мгновенной мощности в обмотках двигателя, поступает на вход регулятора мощности 3. За счет действия отрицательной обратной связи по мощности всегда минимизируется мощность, потребляемая двигателем, и, следовательно, повышаются энергетические характеристики электропривода. 1 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и автоматике и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства автоматических систем.

Известны линейные следящие электроприводы, содержащие электромагнитный двигатель с обмотками прямого и обратного хода и подвижным якорем, механически соединенным с датчиками ускорения и положения, регулятор положения, суммирующий и вычитающий входы которого подключены к выходам соответственно задатчика и датчика положения, а выход подключен к суммирующему входу регулятора тока, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика ускорений, второй суммирующий вход подключен к выходу функционального преобразователя, а выход подключен через последовательно соединенные первый однополупериодный выпрямитель, первый усилитель мощности и первый датчик тока к обмотке прямого хода и через последовательно соединенные однополупериодный выпрямитель, второй усилитель мощности и второй датчик тока к обмотке обратного хода, выходы первого и второго датчиков тока и датчика положения подключены к выходам функционального преобразователя.

Недостаток известных линейных следящих электроприводов - низкий КПД, вследствие больших потерь в обмотках двигателя в динамических режимах.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату является линейный следящий электропривод, содержащий электромагнитный двигатель с обмотками прямого и обратного хода и подвижным якорем, механически соединенным с датчиками ускорения и положения, регулятор положения, суммирующий и вычитающий входы которого подключены к выходам соответственно задатчика и датчика положения, регулятор тока, вычитающий вход которого подключен к выходу датчика ускорений, один из суммирующих входов соединен с выходом функционального преобразователя, а выход подключен через последовательно соединенные первый однополупериодный выпрямитель, первый усилитель мощности и первый датчик тока к обмотке прямого хода и через последовательно соединенные второй однополупериодный выпрямитель, второй усилитель мощности и второй датчик тока к обмотке обратного хода электромагнитного двигателя, выходы первого и второго датчиков тока и датчика положения подключены к выходом функционального преобразователя, выход регулятора положения подключен к второму суммирующему входу регулятора тока.

В известном техническом решении потери энергии в электромагнитном двигателе не контролируются и могут в динамических режимах даже при оптимальных, с точки зрения качества регулирования (точности, быстродействия) настройках достигать больших значений, существенно превышающих минимально возможные. Следовательно, недостаток известного устройства - низкий КПД.

Цель изобретения - повышение КПД путем уменьшения потерь в обмотках двигателя в динамических режимах.

На чертеже приведена функциональная схема линейного следящего электропривода.

Линейный следящий электропривод содержит задатчик положения 1, элемент сравнения 2, регулятор мощности 3, регулятор тока 4, первый 5 и второй 6 диодные элементы, вычислительный блок 7, первый 8 и второй 9 усилители мощности, первый 10 и второй 11 датчик напряжения, первый 12 и второй 13 блоки перемножения, первый 14 и второй 15 датчик тока, электромагнитный двигатель 16 с обмотками прямого 17 и обратного 18 хода и подвижным якорем 19, датчик положения 20, датчик ускорения 21. При этом подвижный якорь 19 электромагнитного двигателя 16 механически соединен с датчиками положения 20 и ускорения 21, суммирующий вход элемента сравнения 2 подключен к выходу задатчика положения 1, вычитающий вход соединен с выходом датчика положения 20, а выход подключен к первому суммирующему входу регулятора мощности 3, а второй суммирующий и вычитающий входы подключены к выходам первого 12 и второго 13 блоков перемножения, выход регулятора мощности 3 подключен к первому суммирующему входу регулятора тока 4, второй суммирующий вход которого подключен к выходу вычислительного блока 7, вычитающий вход соединен с выходом датчика ускорения 21, а выход подключен через последовательно соединенные первый диодный элемент 5, первый усилитель мощности 8 и первый датчик тока 14 к обмотке прямого хода 17 и через последовательно соединенные второй диодный элемент 6, второй усилитель мощности 9 и второй датчик тока 15 к обмотке обратного хода 18 электромагнитного двигателя 16, первый 10 и второй 11 датчики напряжения подключены к выходам соответственно первого 8 и второго 9 усилителей мощности, выходы первого 14 и второго 15 датчиков тока и выход датчика положения 20 подключены к входам вычислительного блока 7, первые входы первого 12 и второго 13 блоков перемножения подключены к выходам соответственного первого 14 и второго 15 датчиков тока.

Линейный следящий электропривод работает следующим образом.

Обмотки прямого 17 и обратного 18 хода электромагнитного двигателя 16 подключены к выходам соответственно первого 8 и второго 9 усилителей мощности. Изменение положения якоря 19 электромагнитного двигателя 16 осуществляется регулированием напряжения на выходах первого 8 и второго 9 усилителей мощности. Положение якоря 19 электромагнитного двигателя 16 измеряется с помощью датчика положения 20, а ускорение движения якоря 19 - с помощью датчика ускорения 21. Токи в обмотках прямого 17 и обратного 18 хода измеряются с помощью первого 14 и второго 15 датчиков тока, включенных последовательно с соответствующими обмотками. Измерение напряжений на обмотках прямого 17 и обратного 18 хода производится с помощью двух датчиков напряжения: соответственно первого 10 и второго 11. Выходные сигналы с датчиков тока 14 и 15 и с датчика положения 20 поступают на входы вычислительного блока 7, на выходе которого формируется сигнал
U₇= F(i_п,i_o,x) =

G $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{п}}$ (x)i $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{п}}$ -

G $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{0}}$ (l-x)i $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{0}}$ (1) где i_п, i_o - токи обмоток прямого 17 и обратного 18 хода;
x - координата положения якоря 19, отсчитываемая от внутренней поверхности крышки корпуса соленоида прямого хода;
ρ_м.п., ρ _м.о. - удельные магнитные сопротивления зазоров соленоидов прямого 17 и обратного 18 хода;
ω_п, ω _о - число витков обмоток прямого и обратного хода;
G_п(x), G_o(l-x) - индуктивности обмоток прямого 17 и обратного 18 хода;
l - ход якоря 19.

Сигнал U₇ представляет собой косвенную оценку тягового усилия F, развиваемого электромагнитным двигателем 16. Тяговое усилие (1) электромагнитного двигателя, как известно, уравновешивается статической F_c и динамической F_g= m

(2) составляющими сил сопротивления нагрузки:
F = F_c+ m

Сигнал, пропорциональный динамической составляющей (2) измеряется с помощью датчика ускорения 21: U₂₁= K

где K₂₁ - коэффициент передачи датчика ускорения 21.

Напряжения U₇ и U₂₁ с выходов вычислительного блока 7 и датчика ускорения 21 поступают соответственно на второй суммирующий и вычитающий входы регулятора тока 4, во входной цепи которого происходит вычисление сигнала U₇-U₂₁= F-K

: F_c (3) который пропорционален статической составляющей усилия нагрузки. Этот сигнал используется для комбинированного управления положением якоря 19. Выходные сигналы с датчиков тока 14 и 15 и датчиков напряжения 10 и 11 в каждой обмотке поступают на входы соответственно первого 12 и второго 13 блоков перемножения, на выходах которых формируются сигналы U₁₂ = i_пU_пи U₁₃ = i_oU_o, пропорциональные мгновенным мощностям в каждой обмотке. Напряжения U₁₂ и U₁₃ поступают соответственно на вычитающий и второй суммирующий входы регулятора мощности 3, в результате чего в системе образуется обратная связь по мощности.

На суммирующий вход элемента сравнения 2 с выхода задатчика положения 1 подается сигнал X_o, пропорциональный требуемому значению координаты положения якоря 19. На вычитающий вход элемента сравнения 2 поступает сигнал x с выхода датчика положения 20, пропорциональный координате положения якоря 19. На выходе элемента сравнения 2 формируется сигнал, пропорциональный ошибке регулирования U₂ = K₂(x-x_o), где К₂ - коэффициент передачи элемента сравнения. Сигнал U₂ поступает на первый суммирующий вход регулятора мощности 3, на второй суммирующий и вычитающий входы которого поступают сигналы с выходов соответственно второго 13 и первого 12 блоков перемножения, вычисляющих значения мгновенных мощностей обмоток обратного и прямого хода. Выходной сигнал U₃ регулятора мощности 3 поступает на первый суммирующий вход регулятора тока 4, второй суммирующий вход которого подключен к выходу вычислительного блока 7, а вычитающий - к выходу датчика ускорения. Выходной сигнал U₄ регулятора тока 4 в зависимости от полярности через первый 5 или второй 6 диодный элемент поступает соответственно на первый 8 или второй 9 усилитель мощности, к выходам которых подключены обмотки прямого 17 и обратного 18 хода электромагнитного двигателя 16. При действии тока в обмотке прямого 17 или обратного 18 хода происходит перемещение якоря 19 в направлении, обеспечивающем уменьшение ошибки регулирования ε = x_o - x.

Таким образом, линейный следящий электропривод содержит три контура регулирования: главный, образованный обратной связью по положению и датчика положения 20, и два подчиненных. Первый подчиненный контур тока включает регулятор тока 4, первый 14 и второй 15 датчики тока, вычислительный блок 7 и датчик ускорения 21. В этом контуре осуществляется вычисление статической составляющей тягового усилия F_с и использование пропорционального ей сигнала (3) для комбинированного управления положением якоря 19. В результате в системе осуществляется компенсация статической составляющей возмущающего воздействия со стороны нагрузки, что обеспечивает повышение точности регулирования.

Второй подчиненный контур регулирования мощности включает регулятор мощности 3 и датчик мощности, состоящий из двух датчиков тока 14 и 15, двух датчиков напряжения 10 и 17 и двух блоков перемножения 12 и 13.

Действие подчиненного контура регулирования мощности происходит следующим образом. В любом режиме работы электропривода сигналы U₁₂ и U₁₃, пропорциональные мгновенным мощностям обмоток соответственно прямого и обратного хода, поступают на вычитающий и суммирующий входы регулятора мощности 3. Регулятор мощности 3 вычисляет сигнал, пропорциональный разности выходного сигнала регулятора положения 2 и мгновенных мощностей обмоток прямого и обратного хода (U₁₃ - U₁₂), и формирует в соответствии с выбранным законом регулирования (например, П-, ПИ-, ПД- или ПИД-) сигнал для регулятора тока 4. Увеличение активной мощности, потребляемой электромагнитным двигателем 16, вызывает увеличение сигналов U₁₂ и U₁₃, и, следовательно, уменьшение выходного напряжения регулятора мощности 3. В результате уменьшается сигнал на входе регулятора тока 4, что приводит к уменьшению тока в обмотках двигателя 16 и, следовательно, потребляемой мощности.

Таким образом, за счет отрицательной обратной связи по мощности всегда минимизируется мощность, потребляемая электромагнитным двигателем, и, следовательно, повышается КПД электропривода.

Следовательно, в предлагаемом линейном следящем электроприводе с электромагнитным двигателем по сравнению с известным обеспечивается уменьшение потерь энергии в динамических режимах, и, следовательно, повышение КПД. При этом положительный эффект достигается простым способом и не требует для технической реализации существенных изменений типовых структур и элементной базы электроприводов с электромагнитными двигателями.

Claims (1)

1. ЛИНЕЙНЫЙ СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий электромагнитный двигатель с обмотками прямого и обратного хода, подвижный якорь, механически соединенный с датчиками ускорения и положения, элемент сравнения, суммирующий и вычитающий входы которого подключены к выходам соответственно задатчика и датчика положения, первый датчик тока, два диода, анод первого и катод второго соединены между собой, первый усилитель мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем уменьшения потерь в обмотках двигателя в динамических режимах, в него введены вычислительный блок с тремя входами, регулятор тока, с двумя суммирующими и вычитающим входами, регулятор мощности с двумя суммирующими и вычитающим входами, два блока перемножения, два датчика напряжения, второй усилитель мощности, второй датчик тока, выход элемента сравнения соединен с первым суммирующим входом регулятора мощности, второй суммирующий и вычитающий входы которого соединены с выходами двух блоков перемножения, входы которых соединены соответственно с датчиками напряжения и тока, датчики напряжения и тока соединены соответственно с обмотками прямого и обратного хода, выходы датчиков тока соединены соответственно с двумя входами вычислительного блока, третий вход которого соединен с выходом датчика положения, выход регулятора мощности соединен с первым суммирующим входом регулятора тока, второй суммирующий и вычитающий входы которого соединены соответственно с выходами вычислительного блока и датчика ускорения, выход регулятора тока подключен к общей точке соединения анода первого и катода второго диодов, а вычислительный блок выполнен с возможностью реализации следующей функции:
   

   

   
   где i_п, i_о - токи в обмотках соответственно прямого и обратного хода;
   x - координата положения якоря, отсчитываемая от внутренней поверхности крышки корпуса соленоида прямого хода;
   ρ_м.п., ρ_м.о. - удельные магнитные сопротивления зазора соленоидов соответственно прямого и обратного хода;
   G_п (х), G_о (1-х) - индуктивности обмоток соответственно прямого и обратного хода;
   I - ход якоря;
   ω_п, ω_o - число витков обмоток прямого и обратного хода.