RU2499351C1 - Следящий электропривод - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с исполнительными двигателями постоянного тока или с синхронными машинами, работающими в режимах вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока. Следящий электропривод (фиг.1) содержит блок (1) задания, сумматоры (2) и (3), блоки (4) и (5) дифференцирования, пропорциональное звено (6), интегральный регулятор (7), пропорциональный регулятор (8), пропорционально-дифференциальный регулятор (9), силовой преобразователь (10), электродвигатель (11) с исполнительным механизмом (12) и датчик (13) положения. Предлагаемый следящий электропривод позволяет получить технический результат - увеличить полосу пропускания частот при отработке гармонического сигнала. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с исполнительными двигателями постоянного тока или с синхронными машинами, работающими в режимах вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока.

Наиболее близким по технической сущности является структурно-минимальный электропривод (см. Галицков С.Я., Галицков К.С. Многоконтурные системы управления с одной измеряемой координатой. - Самара: СГАСУ, 2004. - С.64-65), содержащий блок задания, первый и второй сумматор, блок дифференцирования, пропорциональное звено, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель и датчик положения.

Недостаток наиболее близкого по технической сущности следящего электропривода заключается в том, что он обладает малой полосой пропускания частот, составляющей порядка 30-40 Гц.

Сущность изобретения состоит в том, что следящий электропривод, содержащий блок задания, первый и второй сумматор, первый блок дифференцирования, пропорциональное звено, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель с исполнительным механизмом и датчик положения, причем выход блока задания соединен с первым входом первого сумматора и входом первого блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора и входом пропорционального звена, выход первого сумматора соединен с первым входом интегрального регулятора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход пропорционального звена соединен с вторым входом второго сумматора, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с входом силового преобразователя, выход которого соединен с электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с вторым входом интегрального регулятора, дополнительно снабжен пропорциональным регулятором и вторым блоком дифференцирования, причем выход второго сумматора соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход датчика положения соединен с вторым входом пропорционального регулятора и входом второго блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет увеличить полосу пропускания частот следящего электропривода.

На фиг.1 приведена функциональная схема следящего электропривода; на фиг.2 - структурная схема следящего электропривода, на фиг.3 - расчетная модель следящего электропривода; на фиг.4 - частотные характеристики следящего электропривода.

Следящий электропривод (фиг.1) содержит блок 1 задания, сумматоры 2 и 3, блоки 4 и 5 дифференцирования, пропорциональное звено 6, интегральный регулятор 7, пропорциональный регулятор 8, пропорционально-дифференциальный регулятор 9, силовой преобразователь 10, электродвигатель 11 с исполнительным механизмом 12 и датчик 13 положения.

Выход блока 1 задания соединен с первым входом сумматора 2 и входом блока 4 дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 2 и входом пропорционального звена 6. Выход сумматора 2 соединен с первым (прямым) входом интегрального регулятора 7, выход которого соединен с первым входом сумматора 3. Выход пропорционального звена 6 соединен с вторым входом сумматора 3. Выход пропорционально-дифференциального регулятора 9 соединен с входом силового преобразователя 10, выход которого соединен с электродвигателем 11. Электродвигатель 11 кинематически связан с исполнительным механизмом 12, оснащенным датчиком положения 13. Выход сумматора 3 соединен с первым (прямым) входом пропорционального регулятора 8, выход которого соединен с первым (прямым) входом пропорционально-дифференциального регулятора 9. Выход датчика 13 положения соединен с вторыми (инверсными) входами интегрального регулятора 7 и пропорционального регулятора 8 и входом блока дифференцирования 5, выход которого соединен с вторым (инверсным) входом пропорционально-дифференциального регулятора 9.

Блок 1 задания параметров может быть выполнен, например, на микросхемах К555ТМ8, разрядные входы которых подключаются с помощью переключателей к логическим нулям или единицам. Сумматоры 2 и 3 могут быть реализованы, например, на микросхемах К555ИМ6. Блоки 4 и 5 дифференцирования, пропорциональное звено 6, интегральный регулятор 7, пропорциональный регулятор 8 и пропорционально-дифференциальный регулятор 9 могут быть выполнены, например, по а.с. СССР №1649501, опубл. 15.05.91, Бюл. №18 и реализованы, например, на микросхемах серии К555. Силовой преобразователь 10 для электродвигателя постоянного тока, например, реализован в виде цифрового широтно-импульсного модулятора по а.с. СССР №1748241, опубл. 15.07.92, Бюл. №26, с силовым транзисторным мостом на выходе. Для синхронной машины, работающей в режиме вентильного двигателя силовой преобразователь 4 может быть выполнен, например, в виде цифрового модулятора по а.с. СССР №1798907, опубл. 28.02.93, Бюл. №8, с силовым трехфазным транзисторным мостом на выходе. В качестве электродвигателя 11 может быть использован, например, любой электродвигатель постоянного тока или синхронная машина с датчиком положения ротора, например, 4СХ2П100L8. Исполнительный механизм 12, например, может представлять собой стол координатно-расточного станка, соединенный с помощью ходового винта и муфты с валом электродвигателя 11. В качестве датчика 13 положения, например, может быть использована фотооптическая линейка BE 162 с соответствующим устройством оцифровки ее выходного сигнала. Электропривод может быть также замкнут и по датчику угла поворота вала двигателя, например, BE 178.

Следует также отметить, что блок 1 задания, сумматоры 2 и 3, блоки 4 и 5 дифференцирования, пропорциональное звено 6, интегральный регулятор 7, пропорциональный регулятор 8 и пропорционально-дифференциальный регулятор 9 могут быть реализованы также программно на микропроцессорном контроллере.

Следящий электропривод работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания, и сигнала датчика 13 положения сумматоры 2 и 3, блоки 4 и 5 дифференцирования, пропорциональное звено 6, интегральный регулятор 7, пропорциональный регулятор 8 и пропорционально-дифференциальный регулятор 9 формируют сигнал на входе силового преобразователя 10. Силовой преобразователь 10 преобразует этот сигнал в напряжение на якоре электродвигателя 11 постоянного тока (статоре синхронной машины). При этом вал электродвигателя 11 начинает вращаться и приводит в движение исполнительный механизм 12, перемещение которого измеряется датчиком 13 положения. Движение продолжается до тех пор, пока величина сигнала с датчика 13 положения не сравняется с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания. Интегральный регулятор 7 компенсирует действие всех помех, охваченных датчиком 13. Блок 5 дифференцирования, пропорциональный регулятор 8, и пропорционально-дифференциальный регулятор 3 обеспечивают компенсацию основных инерционностей электродвигателя 11 и исполнительного механизма 12. Сумматоры 2 и 3, блок 4 дифференцирования и пропорциональное звено 6 форсируют сигналы на входе интегрального регулятора 7 и пропорционального регулятора 8, расширяя полосу пропускания частот следящего электропривода.

Для подтверждения высокого быстродействия предлагаемого следящего электропривода рассмотрим его структурную схему (фиг.2). Она содержит три контура: внутренний контур скорости и два контура положения. Для организации обратной связи по скорости сигнал безинерционного датчика положения с коэффициентом передачи k_∂n дифференцируется звеном с передаточной функцией

W_occ(p)=k_occp

где k_occ - коэффициент передачи по скорости (постоянная времени дифференцирования).

Приведенная структурная схема соответствует случаю, когда в качестве электродвигателя используется синхронная машина, работающая в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока, а следящий электропривод замкнут по датчику угла поворота вала двигателя. В этом случае объект управления (двигатель с исполнительным механизмом) описывается передаточной функцией:

$$W_{oy}\left(p\right)=\frac{k_{oy}}{\left(T_{к}^2{p}^2+2{\xi }_{к}{Т}_{к}p+1\right)p}$$

где k_oy - коэффициент передачи объекта; Т_к - постоянная времени колебательного звена; ξ_к - его коэффициент демпфирования.

Силовой преобразователь представлен апериодическим звеном с передаточной функцией

$$W_{cn}\left(p\right)=\frac{k_{cn}}{T_{cn}p+1}$$

где k_cn и T_cn - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя соответственно.

Пропорционально-дифференциальный регулятор первого (внутреннего) контура описан передаточной функцией:

W_n∂(p)=k_n∂(T_n∂p+1),

где k_n∂ - коэффициент передачи, а T_n∂ - постоянная времени регулятора. Пропорциональный регулятор второго контура имеет коэффициент передачи k_n. Интегральный регулятор третьего (внешнего) контура представлен передаточной функцией

$$W_u\left(p\right)=\frac{1}{T_{u}p}$$

где T_u - постоянная времени интегрирования.

Дополнительно введенный в электропривод блок дифференцирования изображен на структурной схеме в виде передаточной функции:

W_ку1(p)=T_куp,

а пропорциональное звено представлено коэффициентом передачи k_кy.

Промоделируем рассматриваемый следящий электропривод в среде «MATLAB SIMULINK» для конкретной технической реализации, когда он оснащен синхронным исполнительным двигателем 5FK70605AF71. В этом случае объект управления характеризуется постоянной времени Т_к=9,859·10^-3 с и коэффициентом демпфирования ξ_к=0,4829.

Рассматриваемый синхронный электродвигатель оснащен датчиком положения ротора, выдающим 2048 дискрет на оборот. Полагая, что задание положения в следящем электроприводе производится в дискретах датчика, логично принять коэффициент передачи датчика положения равным k_∂n=1, а его разрешающую способность учесть в общем коэффициенте передачи объекта управления. Поэтому в расчетах принят k_оу=1,5396·10³ дискрет/Вс, и передаточная функция объекта управления принимает следующие численные значения:

$$\begin{array}{l}{W}_{oy}\left(p\right)=\frac{k_{oy}}{\left(T_{к}^2{p}^2+2{\xi }_{к}{Т}_{к}p+1\right)p}=\\ =\frac{\mathrm{1,5396}\cdot {10}^3}{\left[\mathrm{9,7201}\cdot {10}^{-5}{p}^2+\mathrm{9,52177}\cdot {10}^{-3}p+1\right]p}\end{array}$$

Рассмотрим случай, когда для управления синхронной машиной, работающей в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока, используется 15 - разрядный цифровой широтно-импульсный преобразователь. Тогда коэффициент передачи силового преобразователя

$$k_{cn}=\frac{220}{2^{15}-1}=\mathrm{0,0067}В/дискрету$$

За постоянную времени силового преобразователя принята половина периода смены информации на его входе:

T_cn=0,0016 с.

В расчетах взяты следующие параметры настройки регуляторов: k_n∂=8; T_n∂=0,1175 с; k_n=8; T_u=0,01 с; k_occ=0,0256 с; T_кy=0,0101 с; k_кy=0,3273.

Расчетная модель, приведенная на фиг.3, учитывает все эти параметры и позволяет построить частотные характеристики предлагаемого следящего электропривода (фиг.4). Анализ построенных графиков показывает, что если судить по фазовому сдвигу -90° (а именно так определялась частота в устройстве, взятом за прототип), полоса частот пропускания следящего электропривода составляет 1320 рад/с или 210 Гц. Полученные результаты позволяют сказать, что рассматриваемый следящий электропривод практически в 5 раз превосходит по полосе пропускания частот устройство, взятое за прототип.

Таким образом, предлагаемый следящий электропривод позволяет увеличить полосу пропускания частот при отработке гармонического сигнала.

Claims (1)

1. Следящий электропривод, содержащий блок задания, первый и второй сумматоры, первый блок дифференцирования, пропорциональное звено, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель с исполнительным механизмом и датчик положения, причем выход блока задания соединен с первым входом первого сумматора и входом первого блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора и входом пропорционального звена, выход первого сумматора соединен с первым входом интегрального регулятора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход пропорционального звена соединен с вторым входом второго сумматора, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с входом силового преобразователя, выход которого соединен с электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с вторым входом интегрального регулятора, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен пропорциональным регулятором и вторым блоком дифференцирования, причем выход второго сумматора соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход датчика положения соединен с вторым входом пропорционального регулятора и входом второго блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора.

Images