RU2628757C1 - Method of electric drive control and device for its implementation (versions) - Google Patents
Method of electric drive control and device for its implementation (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2628757C1 RU2628757C1 RU2016134523A RU2016134523A RU2628757C1 RU 2628757 C1 RU2628757 C1 RU 2628757C1 RU 2016134523 A RU2016134523 A RU 2016134523A RU 2016134523 A RU2016134523 A RU 2016134523A RU 2628757 C1 RU2628757 C1 RU 2628757C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- friction
- speed
- load
- control signal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
Landscapes
- Control Of Electric Motors In General (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области управляемого электропривода, в том числе с ограниченным углом поворота (электромеханические преобразователи) с нагружением, содержащим компоненту типа «сухого» трения. В [1] указано, что в общем случае сила трения зависит от относительной скорости движения тел. При этом с увеличением относительной скорости движения тел сила трения сначала уменьшается и при дальнейшем увеличении скорости растет. В [2, рис. 1.33] и [3, фиг. 3] приведена форма соответствующей кривой (статическая фрикционная характеристика). Кроме того, составляющая «сухого» трения характеризуется тем, что движение нагрузки из состояния покоя начинается только после того, как движущий момент в направлении предполагаемого движения превысит момент трогания (момент трения покоя). Поскольку развиваемый электродвигателем момент пропорционален току в обмотке, а нарастание тока в обмотке носит инерционный характер из-за ее индуктивности, вследствие ограниченности напряжения питания будет иметь место задержка по времени начала движения даже при подаче питания на двигатель скачком. Предлагаемое техническое решение направлено на уменьшение влияния этого эффекта на точность и быстродействие электропривода и может быть использовано во всех тех областях техники, где используется управляемый электропривод, преимущественно в тех случаях, когда трение покоя нагрузки значительно превышает трение движения. В качестве исполнительных устройств электропривода могут применяться электромеханические преобразователи, электродвигатели постоянного тока, в том числе бесконтактные, моментные двигатели, синхронные электродвигатели с мостовыми схемами управления, асинхронные двигатели с раздельным управлением амплитудой и частотой питающего напряжения (тока) или чисто амплитудным управлением.The proposed technical solution relates to the field of controlled electric drive, including with a limited angle of rotation (electromechanical converters) with loading, containing a component of the type of "dry" friction. In [1] it is indicated that in the general case the friction force depends on the relative velocity of the bodies. In this case, with an increase in the relative velocity of bodies, the friction force first decreases and increases with a further increase in velocity. In [2, Fig. 1.33] and [3, FIG. 3] shows the shape of the corresponding curve (static frictional characteristic). In addition, the component of "dry" friction is characterized in that the movement of the load from the rest state begins only after the moving moment in the direction of the intended motion exceeds the moment of starting (the moment of rest friction). Since the moment developed by the electric motor is proportional to the current in the winding, and the increase in current in the winding is inertial due to its inductance, due to the limited supply voltage, there will be a delay in the time the movement starts even when the power is supplied to the motor abruptly. The proposed technical solution is aimed at reducing the effect of this effect on the accuracy and speed of the electric drive and can be used in all those areas of technology where a controlled electric drive is used, mainly in cases where the static friction of the load significantly exceeds the motion friction. Actuators of an electric drive can be used electromechanical converters, DC motors, including non-contact, torque motors, synchronous motors with bridge control circuits, asynchronous motors with separate control of the amplitude and frequency of the supply voltage (current) or purely amplitude control.
Известен [4] способ динамической компенсации трения, который использует дополнительное звено, выполненное по структуре линейной части объекта - модель двигателя без трения. Сигнал с модели, соответствующий угловой скорости, если б трение отсутствовало, сравнивается с сигналом тахогенератора (фактической угловой скоростью). Разностный сигнал усиливается и со знаком, зависящим от скорости двигателя, суммируется с сигналом основного усилителя. Недостатком этого способа является то, что разность истинной и модельной скоростей будет пропорциональна моменту трения только в установившемся режиме движения с постоянной скоростью. Поэтому данный способ не позволяет уменьшить время страгивания при начале движения из состояния покоя или при изменении направления движения. Более того, из-за плавного, а не релейного изменения сигнала при смене направления движения время страгивания может увеличиться.Known [4] is a method of dynamic compensation of friction, which uses an additional link made according to the structure of the linear part of the object — an engine model without friction. The signal from the model corresponding to the angular velocity, if there was no friction, is compared with the signal of the tachogenerator (actual angular velocity). The difference signal is amplified and, with a sign depending on the motor speed, is added to the signal of the main amplifier. The disadvantage of this method is that the difference between the true and model speeds will be proportional to the moment of friction only in the steady state mode of motion with a constant speed. Therefore, this method does not allow to reduce the time of moving at the start of movement from a state of rest or when changing the direction of movement. Moreover, due to a smooth, and not a relay change in signal, when changing the direction of movement, the breakaway time may increase.
Здесь и далее следует отметить, что при описании способов и устройств считается очевидной необходимость сопряжения маломощной управляющей части электропривода и мощной исполнительной части, а также измерительных датчиков и управляющей части. При этом под управляющей частью понимается совокупность аналоговых и/или цифровых линейных и нелинейных корректирующих устройств, в том числе при многоконтурной реализации, и устройств для ввода и (или) учета перекрестных, компенсирующих и обратных связей. Элементы, обеспечивающие сопряжение, аппаратно могут входить как в управляющую или исполнительную часть, так и в состав измерительных датчиков.Hereinafter, it should be noted that when describing the methods and devices, it is considered obvious that the pairing of the low-power control part of the electric drive and the powerful executive part, as well as measuring sensors and the control part is necessary. At the same time, the control part refers to a combination of analog and / or digital linear and non-linear corrective devices, including those for multi-loop implementation, and devices for input and (or) accounting for cross, compensating and feedback. Elements that provide pairing, hardware may be included in the control or Executive part, and in the composition of the measuring sensors.
В [5] предложено добавлять в сигнал управления двигателем периодическую последовательность прямоугольных импульсов от генератора с уровнем, превышающим напряжение трогания, определенное по статической характеристике электродвигателя. Прямоугольные импульсы приводят двигатель в колебательное движение достаточно большой частоты, что способствует линеаризации присущей ему нелинейности «сухого» трения. Недостатком этого способа является то, что увеличиваются токопотребление и нагрев двигателя, а при недостаточно высокой частоте может увеличиться и ошибка. При формировании сигнала по данному методу также не учитывается индуктивность обмотки. Поэтому для частот f выше 1/2πТдв (Тдв - электрическая постоянная обмотки) и ограниченном напряжении питания могут иметь место случаи, когда никаким коэффициентом невозможно достичь превышения развиваемого двигателем момента Mдв=Cм⋅Iдв (Cм -коэффициент момента двигателя, Iдв - ток в обмотке) величины момента трогания. Это следует из того, что максимальная амплитуда тока может быть оценена (без учета коэффициента гармонической линеаризации и противоЭДС) величиной:In [5], it was proposed to add to the engine control signal a periodic sequence of rectangular pulses from the generator with a level exceeding the starting voltage determined by the static characteristic of the electric motor. Rectangular pulses cause the engine to oscillate at a sufficiently high frequency, which contributes to the linearization of its inherent non-linearity of “dry” friction. The disadvantage of this method is that the current consumption and heating of the motor increase, and at an insufficiently high frequency, the error can also increase. When generating a signal by this method, the inductance of the winding is also not taken into account. Therefore, for frequencies f above 1 / 2πT dv (T dv is the electric constant of the winding) and a limited supply voltage, there may be cases when it is impossible to achieve an excess of the torque developed by the motor M dv = C m ⋅I dv (C m is the motor torque coefficient , I dv is the current in the winding) of the starting moment. This follows from the fact that the maximum current amplitude can be estimated (without taking into account the harmonic linearization coefficient and counter-EMF) by the value:
где Uпит - напряжение питания двигателя,where U pit is the voltage of the motor,
ω=2πf - круговая частота сигнала, поступающего на вход двигателя.ω = 2πf is the circular frequency of the signal fed to the motor input.
То есть по мере роста частоты ток падает, стремясь в пределе к нулю.That is, as the frequency increases, the current drops, tending to zero in the limit.
В [6], параграф 9.5, и [7] описаны технические решения, когда сигнал, соответствующий по форме трению (статической фрикционной характеристике), но с тем же знаком, что и скорость движения, подается на вход двигателя или на вход контура тока, а также дается предложение вместо сигнала по скорости нагрузки на формирователь сигнала, имитирующего трение (формирователь компенсации трения), подавать не скорость нагрузки, а скорость с задатчика, поступающую на неинвертирующий вход скоростного контура привода. В обоих источниках предполагается, что трение имеет постоянный уровень и изменяется только при смене знака скорости (сигнатурная форма фрикционной характеристики). При этом также пренебрегается влиянием инерционности нарастания тока, а следовательно, и момента, развиваемого двигателем. То есть проблема сокращения времени страгивания двигателя после остановки при изменении направления движения не решается. Более того, в тех случаях, когда сигнал компенсации трения реализовывается в функции от текущей скорости привода, его знак изменится только после возобновления движения, то есть в процессе преодоления трения покоя ранее сформированный сигнал компенсации будет мешать нарастанию тока в обмотке двигателя.In [6], paragraph 9.5, and [7] described technical solutions when a signal corresponding in form of friction (static friction characteristic), but with the same sign as the speed of movement, is fed to the motor input or to the input of the current loop, and also a proposal is given instead of a signal on the load speed to the signal shaper simulating friction (friction compensation shaper), to submit not the load speed, but the speed from the setpoint to the non-inverting input of the high-speed drive circuit. Both sources assume that friction has a constant level and changes only when the speed sign changes (signature form of friction characteristic). At the same time, the influence of the inertia of the increase in current, and hence the moment developed by the motor, is also neglected. That is, the problem of reducing the engine running time after stopping when changing the direction of movement is not solved. Moreover, in cases where the friction compensation signal is implemented as a function of the current drive speed, its sign will change only after the resumption of movement, that is, in the process of overcoming friction of rest, the previously generated compensation signal will interfere with the increase in current in the motor winding.
Наиболее близкой к первому варианту предлагаемого способа является вибрационная компенсация «сухого» трения в электроприводе [4], при которой в ограниченном близком к нулю диапазоне скоростей нагрузки к основному управляющему сигналу, который идет на двигатель для формирования момента управления (траекторная компонента), формируется и добавляется постоянный по амплитуде сигнал из дополнительной связи (фрикционная компонента). Расчетно амплитуда этого сигнала берется такой, чтобы превышать напряжение трогания, то есть напряжение, при котором двигатель разовьет момент, равный моменту трения покоя. Измеряют текущую скорость движения электропривода. Определяют ее знак и используют его для присвоения знака фрикционной компоненте сигнала управления. При выходе текущей скорости движения за назначенный диапазон скоростей сигнал снимается. В основе этого способа лежит то, что для установившегося движения вала двигателя ток в обмотке пропорционален моменту нагружения, то есть сумме динамической составляющей пропорциональной ускорению, задаваемой основным управляющим сигналом, и трения. В частном случае «сухого» трения постоянной величины в соответствии с принципом суперпозиции постоянное по амплитуде напряжение сигнала из дополнительной связи вызывает компоненту тока, приводящую к возникновению в электродвигателе момента силы, уравновешивающего после окончания переходного процесса в обмотке момент силы трения. При этом в установившемся режиме постоянному напряжению основного управляющего сигнала будет соответствовать движение с такой же постоянной скоростью, какая была бы при отсутствии трения.Closest to the first variant of the proposed method is vibration compensation of “dry” friction in the electric drive [4], in which, in a limited range of load speeds close to zero, to the main control signal that goes to the engine to form the control moment (trajectory component), a constant amplitude signal is added from the additional coupling (friction component). The calculated amplitude of this signal is taken so as to exceed the starting voltage, that is, the voltage at which the engine will develop a moment equal to the moment of rest friction. Measure the current speed of the electric drive. Its sign is determined and used to assign a sign to the friction component of the control signal. When the current speed exceeds the designated speed range, the signal is removed. The basis of this method is that for the steady motion of the motor shaft, the current in the winding is proportional to the moment of loading, that is, the sum of the dynamic component proportional to the acceleration specified by the main control signal and friction. In the particular case of "dry" friction of constant magnitude, in accordance with the principle of superposition, the voltage of a signal that is constant in amplitude from an additional connection causes a current component, which leads to the appearance of a force moment in the electric motor that balances the moment of friction force after the end of the transient in the winding. At the same time, in steady state, the constant voltage of the main control signal will correspond to movement at the same constant speed as would be in the absence of friction.
Недостатками такого способа являются, во-первых, то, что снятие дополнительного сигнала приводит к уменьшению скорости движения, как следствие, во-вторых, возникают переходные процессы при сбросе добавки с возможностью возникновения автоколебаний, в-третьих, после остановки сигнал компенсации трения препятствует нарастанию тока в обмотке, предназначенного для развития момента, преодолевающего трение покоя, и, в-четвертых, имеет место неопределенность - какого знака поправку вводить с момента времени остановки при реверсе до момента времени, пока движение не возобновилось.The disadvantages of this method are, firstly, the fact that the removal of the additional signal leads to a decrease in the speed of movement, as a result, secondly, there are transient processes when the additive is reset with the possibility of self-oscillations, thirdly, after stopping, the friction compensation signal prevents the increase current in the winding, designed to develop a moment that overcomes static friction, and, fourthly, there is uncertainty about what sign to enter the correction from the time of stopping during reverse until the time change until the movement resumes.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение быстродействия и точности отработки электроприводом входных сигналов, приводящих к изменению знака скорости, при наличии в нагружении компоненты типа «сухое» трение, в том числе, когда трение покоя превышает трение движения на начальном участке разгона.The technical result of the proposed solution is to increase the speed and accuracy of the input signal driving the electric drive, leading to a change in the sign of speed, when there are components of the type of "dry" friction, including when the friction of rest exceeds the friction of motion in the initial acceleration section.
Для достижения этого результата способ управления электроприводом, заключающийся в том, что формируют компоненту сигнала управления, исходя из требуемого закона движения нагрузки, кинематически связанной с подвижным элементом двигателя (траекторную компоненту), измеряют скорость движения нагрузки, определяют знак скорости, формируют фрикционную компоненту, и прибавляют ее к траекторной компоненте сигнала управления, а полученную сумму используют для управления двигателем, изменяют следующим образом:To achieve this result, the electric drive control method, which consists in generating a control signal component based on the desired law of load movement kinematically associated with a moving motor element (trajectory component), measures the speed of the load, determines the speed sign, forms the friction component, and add it to the trajectory component of the control signal, and the resulting amount is used to control the engine, change as follows:
- определяются момент ожидаемой смены знака скорости нагрузки (обнуления скорости) и ожидаемый знак скорости после остановки;- the moment of the expected change in the sign of the load speed (zeroing the speed) and the expected sign of the speed after stopping are determined;
- фрикционная компонента формируется в зависимости от ожидаемой скорости нагрузки после остановки (ее знака);- the friction component is formed depending on the expected load speed after stopping (its sign);
- формируется дополнительная компонента сигнала управления в форме кратковременного импульса;- an additional component of the control signal is formed in the form of a short-term pulse;
- передние фронты сигналов сигнатурной и импульсной компонент запускают с опережением к моментам смены знака скорости нагрузки.- the leading edges of the signals of the signature and pulse components are triggered ahead of the moment of changing the sign of the load speed.
Получение положительного эффекта при реализации этого способа основывается на следующем. В случае присутствия в нагружении привода компоненты типа «сухого» трения при трогании и реверсе движение не может начаться, пока развиваемый двигателем момент не превысит момент силы трения покоя (достигнет величины момента трогания). Даже при подаче на вход двигателя напряжения равного напряжению питания (с момента времени, когда при торможении будет достигнута нулевая скорость, противоЭДС равна нулю) время нарастания момента, развиваемого двигателем, до величины момента трогания не может быть менее (Тдв⋅Мтрог)/Мп, где Мтрог - момент трогания, приведенный к валу двигателя, а Мп - пусковой момент двигателя при поданном напряжении питания. (На практике невозможно неограниченно увеличить сигнал на входе двигателя, используя, например, в цепи компенсации форсирующее звено с постоянной равной Тдв. Сигнал на его выходе не сможет превысить напряжение питания, верхний предел которого ограничен техническими характеристиками двигателя). Если же ограничиться подачей ступенчатого напряжения с уровнем, соответствующим моменту трогания (напряжение трогания), то время нарастания момента двигателя до этого уровня уже будет не менее 3⋅Тдв, что намного больше. В прототипе подача компенсирующего сигнала может начаться еще позже - после начала движения, так как после остановки знак скорости не может быть определен из-за отсутствия движения. В течение всего этого времени будет накапливаться отклонение положения нагрузки от требуемого ее положения, особенно в случае отработки приводом динамичного входного сигнала (траекторной компоненты). То есть выигрыш по точности имеет место уже за счет того, что момент подачи сигнатурной компоненты с измененным знаком приближается к моменту остановки, а подача импульсной компоненты позволяет получить дополнительный эффект. Если же трение покоя существенно выше трения движения, на которое настроена фрикционная компонента, то влияние импульсной компоненты на уменьшение ошибки увеличивается.Getting a positive effect when implementing this method is based on the following. In the case of the presence of components of the type of "dry" friction during starting and reverse, when starting and reversing, the movement cannot begin until the moment developed by the motor exceeds the moment of rest friction (reaches the value of the starting moment). Even when applying the motor voltage equal to the supply voltage input (from the time point when braking zero speed is reached, the back EMF is zero), the rise time of the torque developed engine torque to a value of the pickup can not be less than (dd ⋅M trough T) / M p , where M trough is the starting moment, reduced to the motor shaft, and M p is the starting torque of the engine at a supplied voltage. (In practice, it is impossible to infinitely increase the signal at the motor input, using, for example, a boosting link with a constant equal to T dv in the compensation circuit. The signal at its output cannot exceed the supply voltage, the upper limit of which is limited by the technical characteristics of the motor). If we restrict ourselves to supplying a step voltage with a level corresponding to the starting moment (starting voltage), then the rise time of the engine moment to this level will already be at least 3⋅T dv , which is much longer. In the prototype, the compensation signal can begin even later - after the start of movement, since after stopping the sign of speed cannot be determined due to the lack of movement. During all this time, the deviation of the load position from its required position will accumulate, especially in the case when the drive develops a dynamic input signal (path component). That is, a gain in accuracy occurs already due to the fact that the moment of supply of the signature component with a changed sign approaches the moment of stop, and the supply of the pulse component allows you to get an additional effect. If the resting friction is significantly higher than the friction of the movement, on which the friction component is tuned, then the influence of the pulsed component on reducing the error increases.
При реверсивном движении знак скорости после остановки будет противоположен знаку скорости до остановки, а при длительной остановке, в том числе при первоначальном трогании, соответствовать знаку траекторной компоненты, сформированной после остановки. Поэтому важным элементом предлагаемого способа является определение ожидаемого или фактически наступившего момента обнуления скорости нагрузки. Можно, например, предложить для этого следующие совокупности операций.In reverse movement, the sign of speed after stopping will be opposite to the sign of speed before stopping, and for a long stop, including during initial starting, correspond to the sign of the trajectory component formed after stopping. Therefore, an important element of the proposed method is the determination of the expected or actually arrived moment of zeroing the load speed. You can, for example, propose the following sets of operations for this.
Вариант 1. Измерить скорость нагрузки, измерить или вычислить ускорение (производную от скорости), поделить скорость на ускорение и, если они имеют противоположные знаки, сравнить модуль полученной величины с заданным порогом, если порог выше - запустить таймер на время, равное модулю ранее полученного кратного скорости и ускорения (или меньшее по величине). Конец работы таймера будет определять ожидаемый момент смены знака скорости нагрузки, при необходимости с упреждением. Таймер может быть сброшен, если до обнуления скорости ускорение изменило знак на совпадающий со знаком скорости или обнулилось, или при необходимости откорректирован в случае изменения получаемого кратного.
Вариант 2. Измерить скорость нагрузки, провести ее сравнение с нулем, при равенстве нулю выдать сигнал о достижении скоростью нулевого значения, то есть о возможности изменения знака скорости при продолжении движения.
Таким образом, момент предстоящей смены знака скорости нагрузки или фактического ее обнуления может быть определен, и если в этот момент подать на вход двигателя импульсный и сигнатурный сигналы, знак которых соответствует ожидаемому направлению движения, то ток в обмотке двигателя начнет изменяться таким образом, чтобы обеспечить страгивание в направлении дальнейшего движения. Следует отметить, что для уменьшения вероятности возникновения автоколебаний возможно было бы целесообразно учитывать тенденцию изменения сигнала с выхода управляющей части, но в большинстве случаев из-за малости постоянной времени обмотки частота колебаний будет настолько высокой, что (см. (1)) колебания тока не вызовут заметного движения нагрузки.Thus, the moment of the upcoming change in the sign of the load speed or its actual zeroing can be determined, and if at this moment to apply pulse and signature signals to the motor input, the sign of which corresponds to the expected direction of movement, then the current in the motor winding will begin to change in such a way as to ensure moving in the direction of further movement. It should be noted that in order to reduce the likelihood of self-oscillations, it would be possible to take into account the tendency of the signal to change from the output of the control part, but in most cases, due to the smallness of the winding time constant, the oscillation frequency will be so high that (see (1)) the current oscillations do not will cause a noticeable movement of the load.
В случае импульса прямоугольной формы длительностью tи и амплитудой импульса, меньшей напряжения питания в kи раз, момент от импульсной компоненты сигнала управления будет нарастать (по модулю) с подачи импульса в течение времени tи, а затем спадать от уровня приблизительно равного ((Мп⋅kи⋅tи)/Тдв-Мтрог) в течение 3⋅Тдв. К моменту спада до нуля составляющей тока, вызванной импульсом, рост тока от фрикционной компоненты (в частном случае сигнатурной формы) должен практически закончиться, но нарастание тока даже при подаче ступенчатого входного воздействия длится такое же время, что и спад тока импульсной. Отсюда следует:In the case of a rectangular pulse with a duration of t and a pulse amplitude that is k times and less than the supply voltage, the moment from the pulse component of the control signal will increase (modulo) from the pulse supply for a time t and then fall from a level approximately equal to (( M p ⋅k and ⋅t i ) / T dv- M trog ) for 3⋅T dv . By the moment the current component caused by the pulse decreases to zero, the current growth from the friction component (in the particular case of the signature form) should practically end, but the current rise even when a step-in input action is applied lasts the same time as the pulse current decay. This implies:
- длительность импульса должна быть существенно меньше времени переходного процесса в обмотке (иначе не останется времени на спад);- the pulse duration should be significantly less than the time of the transient process in the winding (otherwise there will be no time for recession);
- момент ((Мп⋅kи⋅tи)/Тдв-Мтрог), достигаемый к концу нарастания тока, вызванного импульсной компонентой сигнала управления, должен превышать момент компенсации, соответствующий фрикционной компоненте в установившемся режиме (для того, чтобы обеспечить страгивание и не создавать предпосылок для остановки привода в процессе спада тока, вызванного управляющим импульсом). Тогда:- the moment ((M p ⋅k and ⋅t u ) / T dv- M trog ) achieved by the end of the current rise caused by the pulse component of the control signal must exceed the compensation moment corresponding to the friction component in the steady state (in order to ensure stragging and not create the prerequisites for stopping the drive in the process of current decay caused by a control pulse). Then:
где Мсгн - момент компенсации, соответствующий сигнатурной составляющей в установившемся режиме.where M sg is the compensation moment corresponding to the signature component in the steady state.
Кроме того, для конкретной реализации также может оказаться целесообразным рассинхронизировать моменты подачи фрикционной и импульсной компонент, задержав фрикционную относительно импульсной, или затянуть задний фронт падения составляющей тока в обмотке, инициированной импульсной компонентой, используя импульс с пологим задним фронтом. Последнее целесообразно, когда инерция нагрузки велика (скорость под действием момента набирается медленно), а ниспадающий (по модулю) участок кривой трения в функции от скорости нагрузки имеет малую крутизну.In addition, for a specific implementation, it may also be advisable to synchronize the moments of supply of the friction and impulse components, delaying the friction relative to the impulse, or to tighten the trailing edge of the current component in the winding initiated by the pulsed component using a pulse with a gentle trailing edge. The latter is advisable when the inertia of the load is large (the speed under the action of the moment is typed slowly), and the descending (modulo) section of the friction curve as a function of the load speed has a small slope.
Как уже отмечалось, даже если подать на обмотку напряжение нужной полярности в момент остановки движения нагрузки, движение нагрузки в противоположном направлении начнется с задержкой на время нарастания тока в обмотке до уровня, соответствующего моменту трогания. Поэтому можно получить дополнительный эффект за счет опережающей подачи компенсирующих трение сигналов па вход двигателя. Упреждение не может быть произвольно большим, так как при этом вырастет ошибка отработки требуемого закона движения на участке торможения нагрузки (за счет увеличения ускорения торможения по сравнению с необходимым для движения нагрузки по заданному закону). В идеале следует по мере возможности добиваться минимизации (по модулю) ошибок по выбранному критерию (например, максимальных, средних, среднеквадратичных, в том числе на ограниченных временных интервалах) при страгивании и торможении. Теоретическое определение требуемого упреждения требует знания большого объема информации (требуемый закон движения нагрузки, форма зависимости трения от скорости, в том числе значение трения трогания, параметры электродвигателя), многие элементы которой могут меняться от привода к приводу. Однако практически каждый конкретный привод может быть настроен на типовой сигнал (сигналы) при изготовлении, а в случае дрейфа параметров - и в эксплуатации. В частности, время до ожидаемого момента смены знака скорости, определяемое по «Варианту 1», может быть уменьшено на необходимую величину. Можно также применить способ, основанный на том, что приращение скорости на коротких одинаковых последовательных интервалах примерно одинаково. Тогда:As already noted, even if a voltage of the required polarity is applied to the winding at the moment the load is stopped, the movement of the load in the opposite direction will begin with a delay by the time the current in the winding rises to the level corresponding to the starting moment. Therefore, it is possible to obtain an additional effect due to the advancing supply of friction compensating signals at the motor input. The lead can not be arbitrarily large, since in this case the error of working out the required law of motion in the load braking section will increase (due to an increase in the braking acceleration compared to that necessary for the load to move according to a given law). Ideally, as far as possible it is necessary to achieve minimization (in absolute value) of errors by the selected criterion (for example, maximum, average, rms, including at limited time intervals) during stragging and braking. The theoretical definition of the required lead requires knowledge of a large amount of information (the required law of the load motion, the form of the dependence of friction on speed, including the value of friction friction, motor parameters), many of whose elements can vary from drive to drive. However, almost every particular drive can be configured for a typical signal (s) during manufacture, and in the case of a drift of parameters, also in operation. In particular, the time to the expected moment of changing the sign of speed, determined by "
где V - измеренная скорость;where V is the measured speed;
t - момент времени, соответствующий измерению;t is the point in time corresponding to the measurement;
Δt - интервал задержки (упреждения).Δt is the delay interval (lead).
При неодинаковых интервалах задержки и упреждения выражение (2) можно преобразовать к виду:At unequal intervals of delay and anticipation, expression (2) can be transformed to the form:
Соответственно, сравнивая V(t+μΔt) с нулем, можно выработать признак начала подачи фрикционной и импульсной компонент управляющего сигнала. В случае использования только фрикционной компоненты с постоянной амплитудой для компенсации трения может использоваться сигнатура сигнала V(t+μΔt) после соответствующего масштабирования (без операции определения момента его обнуления).Accordingly, comparing V (t + μΔt) with zero, it is possible to develop a sign of the start of the supply of the friction and impulse components of the control signal. In the case of using only a friction component with a constant amplitude, the signal signature V (t + μΔt) after appropriate scaling (without the operation of determining the moment of its zeroing) can be used to compensate for friction.
То есть описанный способ характеризуется следующими признаками. Во-первых, измеряется скорость движения нагрузки, кинематически связанной с подвижной частью электродвигателя, определяется момент времени ожидаемой остановки перед сменой знака скорости, в расчетный момент остановки перед сменой знака скорости формируется сигнал фрикционной компенсации, знак которого соответствует знаку ожидаемой скорости нагрузки после остановки, а величина - компенсируемому трению нагрузки, полученный сигнал суммируется с сигналом, задающим требуемый закон движения нагрузки, и сумма используется для управления электродвигателем.That is, the described method is characterized by the following features. Firstly, the speed of movement of the load kinematically associated with the moving part of the electric motor is measured, the moment of time of the expected stop before changing the sign of speed is determined, at the calculated moment of stop before the change of sign of speed, a friction compensation signal is generated, the sign of which corresponds to the sign of the expected speed of the load after stopping, and value - compensated friction of the load, the received signal is summed with a signal that sets the desired law of movement of the load, and the amount is used to control lektrodvigatelem.
Во-вторых, сигнал фрикционной компенсации может подаваться на суммирование с опережением к расчетному моменту смены знака скорости нагрузки.Secondly, the frictional compensation signal can be applied to the summation ahead of the estimated time of changing the sign of the load speed.
В-третьих, в дополнение к сигналу фрикционной компенсации может формироваться кратковременный импульс (компонента конечной длительности) того же знака, обеспечивающий за время его подачи нарастание момента двигателя выше уровня момента трогания.Thirdly, in addition to the friction compensation signal, a short-term impulse (component of finite duration) of the same sign can be formed, providing during its supply an increase in the engine torque above the level of the starting moment.
В-четвертых, импульсная компонента может подаваться на суммирование с опережением по отношению к фрикционной.Fourth, the pulsed component can be fed to the summation ahead of the friction component.
В-пятых, форма импульса может создаваться такой, что нарастание тока в обмотке осуществляется быстро, а спад тока - медленнее, чем переходный процесс при ступенчатой подаче напряжения на обмотку.Fifth, the shape of the pulse can be created such that the increase in current in the winding is fast, and the current drop is slower than the transient process when the voltage is applied to the winding in stages.
Из [8] известно, что в системах автоматического управления, к классу которых относится электропривод, точки измерения и ввода сигналов можно переносить по указанным, в частности, там же правилам. То есть компенсирующие трение сигналы могут быть перемещены со входа двигателя, например, на вход контура скорости или напряжения, а вместо измерения скорости можно было бы измерять перемещение или ускорение нагрузки, напряжение и ток в обмотке. Наибольший интерес представляет вариант, когда в электроприводе имеется контур, замкнутый по току. Это обусловлено тем, что, как уже указывалось выше, развиваемый двигателем момент пропорционален протекающему в обмотке току, а наличие замкнутого контура позволяет точно поддерживать требуемое его значение (по крайней мере, на начальном участке после трогания, пока противоЭДС мала). Поэтому с точностью до коэффициента в диапазоне частот ниже частоты среза токового контура сигнал на его входе можно считать задающим развиваемый двигателем момент. Следовательно, и ранее рассмотренные фрикционный и импульсный сигналы с уровнями, соответствующими входу двигателя, могут быть перенесены на вход токового контура электропривода с изменением только масштаба.From [8] it is known that in automatic control systems, to which the electric drive belongs, measurement and input points of signals can be transferred according to the rules indicated, in particular, in the same place. That is, friction-compensating signals can be moved from the motor input, for example, to the input of a speed or voltage circuit, and instead of measuring the speed, the movement or acceleration of the load, voltage and current in the winding could be measured. Of greatest interest is the option when the electric drive has a circuit closed by current. This is due to the fact that, as mentioned above, the moment developed by the motor is proportional to the current flowing in the winding, and the presence of a closed circuit allows you to accurately maintain its required value (at least in the initial section after starting, while the back-emf is small). Therefore, up to a coefficient in the frequency range below the cutoff frequency of the current loop, the signal at its input can be considered the driving moment developed by the motor. Consequently, the friction and pulse signals previously considered with levels corresponding to the motor input can be transferred to the input of the current circuit of the electric drive with changing only the scale.
Наиболее близким к этому варианту способа является [6J, включающий в себя следующую совокупность действий:Closest to this variant of the method is [6J, including the following set of actions:
- формируют сигнал требуемого изменения тока двигателя, обеспечивающий необходимый закон перемещения нагрузки, кинематически связанной с подвижным элементом двигателя (траекторную компоненту сигнала управления);- generate a signal of the desired change in the motor current, providing the necessary law of movement of the load kinematically connected with the movable motor element (trajectory component of the control signal);
- измеряют ток двигателя (получают сигнал обратной связи по току) и вычитают его из сигнала, задающего траекторную компоненту, то есть сравнивают их значения;- measure the current of the motor (receive a current feedback signal) and subtract it from the signal specifying the path component, that is, compare their values;
- измеряют текущую скорость двигателя и определяют ее знак;- measure the current engine speed and determine its sign;
- домножают знак текущей скорости на уровень тока, соответствующий величине «сухого» трения (формируют фрикционную компоненту сигнала управления);- multiply the sign of the current speed by the current level corresponding to the value of "dry" friction (form the friction component of the control signal);
- добавляют фрикционную компоненту сигнала управления к разности траекторией компоненты и сигнала обратной связи по току;- add the friction component of the control signal to the difference between the path of the component and the current feedback signal;
- полученную сумму усиливают и преобразовывают для обеспечения добротности при сохранении устойчивости и качества регулирования в контуре управления по току, а полученный сигнал подают на вход двигателя.- the received amount is amplified and converted to ensure the quality factor while maintaining stability and quality of regulation in the current control loop, and the received signal is fed to the motor input.
Недостатком такого способа является наличие ошибки из-за неучета инерционности нарастания тока вследствие индуктивности обмотки двигателя, а также снижение быстродействия, в том числе и из-за того, что на временном отрезке преодоления трения покоя после остановки привода ранее сформированный сигнал компенсации трения препятствует нарастанию тока.The disadvantage of this method is the presence of an error due to the neglect of the inertia of the increase in current due to the inductance of the motor winding, as well as a decrease in speed, including the fact that in the time interval for overcoming static friction after the drive stops, the previously generated friction compensation signal prevents the current from increasing .
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение быстродействия и точности отработки электроприводом входных сигналов, требующих изменения знака скорости нагрузки, при наличии в нагружении компоненты типа «сухое» трение, в том числе, когда трение покоя превышает трение движения на начальном участке разгона.The technical result of the proposed solution is to increase the speed and accuracy of working out of the input signals by the electric drive, requiring a change in the sign of the load speed, in the presence of components of the "dry" friction type, including when the resting friction exceeds the friction in the initial acceleration section.
Для достижения этого результата способ управления электроприводом, заключающийся в том, что формируют сигнал требуемого изменения тока двигателя, обеспечивающий необходимый закон перемещения нагрузки, кинематически связанной с подвижным элементом двигателя, измеряют ток двигателя и формируют сигнал обратной связи по току, формируют компенсирующий сигнал по трению, алгебраически суммируют сигналы управления перемещением, обратной связи и компенсации трения и эту сумму усиливают и преобразовывают для обеспечения добротности при сохранении устойчивости и качества регулирования в контуре управления по току, а полученный сигнал подают на вход двигателя, а также измеряют скорость нагрузки, изменяют таким образом, что определяют ожидаемый момент времени остановки привода при отработке им знакопеременного по скорости закона движения, прогнозируют значение скорости (ее знака) после возобновления движения, используют для формирования сигнала компенсации трения скорость (ее знак), ожидаемую после возобновления движения, и осуществляют формирование сигнала компенсации трения, соответствующего ожидаемому после остановки направлению движения, не позднее ожидаемого момента времени остановки привода.To achieve this result, the method of controlling the electric drive, which consists in generating a signal of the required change in the motor current, providing the necessary law of movement of the load kinematically connected with the movable motor element, measuring the motor current and generating a current feedback signal, generating a friction compensation signal, algebraically sum the motion control, feedback, and friction compensation signals, and this sum is amplified and transformed to ensure the quality factor To reduce the stability and quality of regulation in the current control loop, and the received signal is fed to the motor input, and also the load speed is measured, it is changed in such a way that the expected time of the drive to stop when working out the law of motion, alternating in speed, is predicted, the speed value (its sign) after the resumption of movement, use the speed (its sign) expected to resume friction to generate the friction compensation signal, and the compensation signal t eniya corresponding to the expected direction of motion after stopping, within an expected point in time the drive is stopped.
Предлагаются также дополнительные усовершенствования предлагаемого способа: введение в сигнал управления импульсной компоненты со знаком, соответствующим знаку скорости привода после реверса, и амплитудой, позволяющей достичь значение тока, превышающее требуемое для преодоления момента трогания, при этом начало подачи импульсной компоненты должно, по крайней мере, не отставать от момента изменения фрикционной компоненты сигнала управления, а ее задний фронт может быть растянут для предотвращения остановки после трогания и снижения ошибки отработки требуемой траектории движения с изменяющимся знаком скорости.Further improvements of the proposed method are also proposed: introducing into the control signal a pulsed component with a sign corresponding to the sign of the drive speed after reverse, and an amplitude that allows reaching a current value exceeding that required to overcome the starting moment, while the beginning of the supply of the pulsed component must at least keep up with the moment the friction component of the control signal changes, and its trailing edge can be stretched to prevent stopping after starting and lowering errors working out the required trajectory with a changing sign of speed.
Хотя каждая из операций в предлагаемом способе управления электроприводом является известной для специалиста в области управляемых приводов, совокупность их, по мнению заявителя, является новой, и не применялась ранее для получения указанной совокупности положительных эффектов.Although each of the operations in the proposed method of controlling an electric drive is known to a specialist in the field of controlled drives, the combination of them, according to the applicant, is new, and has not been used previously to obtain this set of positive effects.
Работа привода с токовым контуром в предложенных вариантах осуществляется, в основном, также, как это было описано для привода с подачей компенсирующего трение сигнала на вход двигателя. Компонента траекторного управления может быть сформирована как непосредственным расчетом, так и с использованием, например, контуров по скорости и (или) положению электропривода. Сигнал обратной связи по току может быть измерен, например, по падению напряжения в цепи двигателя на резисторе (шунте) или магнитному полю, которое вызывается его протеканием. При нормальной работе привода можно полагать, что в моменты времени, предшествующие смене знака скорости, знак траекторной компоненты на входе токового контура противоположен знаку скорости, так как идет торможение, и не изменит его сразу после реверса. Таким образом, в течение интервала времени, пока двигатель наращивает момент (из-за инерционности изменения тока в обмотке) для преодоления момента трогания, знаки траекторной, фрикционной и импульсной компонент на входе токового контура привода одинаковы, и даже если вместе или по отдельности эти компоненты приведут к тому, что сигнал на входе двигателя перейдет в насыщение, это не будет мешать преодолению момента трогания, приведенного к двигателю, который не может быть больше пускового момента двигателя. Более того, на этапе, непосредственно предшествующем остановке перед реверсом, противоЭДС также способствует торможению привода, а на интервале времени между остановкой и началом движения равна нулю, и поэтому не мешает нарастанию момента двигателя. Преобразования, обеспечивающие требуемые динамические характеристики при сохранении устойчивости в токовом контуре, осуществляются путем линейной и (или) нелинейной коррекции (в простейшем случае - путем подбора коэффициента усиления по контуру). Следует отметить, что определенный в [8] алгоритм переноса точки ввода воздействия при направлении обратном направлению прохождения сигнала по цепи, относительно которой осуществляется перенос, предусматривает умножение его на передаточную функцию обратную той, которая связывает новую точку ввода с исходной точкой, что в общем случае не всегда обеспечивает его реализуемость. В отличие от этого ввод сигнала на вход замкнутого контура (в частности токового) использует свойство автоматической системы с постоянным коэффициентом в обратной связи воспроизводить входной сигнал на выходе контура в пределах его полосы пропускания в масштабе обратном величине этого коэффициента, что, в частности для рассматриваемого токового контура, позволяет реализовывать коррекцию между входом контура и двигателем достаточно произвольным образом, так как соответствие входного сигнала развиваемому моменту обеспечивается взаимосвязью между током в обмотке и моментом на валу двигателя.The drive with the current circuit in the proposed options is carried out, basically, the same way as it was described for the drive with a friction compensating signal to the motor input. The component of the trajectory control can be formed both by direct calculation, and using, for example, contours according to speed and (or) the position of the electric drive. The current feedback signal can be measured, for example, by the voltage drop in the motor circuit at the resistor (shunt) or the magnetic field, which is caused by its flow. During normal operation of the drive, it can be assumed that at the time moments preceding the change in the sign of speed, the sign of the path component at the input of the current circuit is opposite to the sign of speed, since there is braking, and will not change it immediately after reverse. Thus, during the time interval while the motor builds up the moment (due to the inertia of the current change in the winding) to overcome the starting moment, the signs of the trajectory, friction, and impulse components at the input of the drive current loop are the same, and even if together or separately, these components will lead to the fact that the signal at the input of the engine will become saturated, this will not interfere with overcoming the starting moment, brought to the engine, which cannot be greater than the starting torque of the engine. Moreover, at the stage immediately preceding the stop before reverse, the counter-emf also contributes to the braking of the drive, and is equal to zero in the time interval between the stop and the start of movement, and therefore does not interfere with the increase in the motor torque. Transformations that provide the required dynamic characteristics while maintaining stability in the current loop are carried out by linear and (or) non-linear correction (in the simplest case, by selecting the gain of the loop). It should be noted that the algorithm defined in [8] for transferring the input point of the action when the direction is opposite to the signal passing along the circuit relative to which the transfer is carried out, involves multiplying it by the inverse transfer function that connects the new input point with the starting point, which in the general case not always ensures its feasibility. In contrast, the input of the signal to the input of the closed loop (in particular the current) uses the property of an automatic system with a constant coefficient in feedback to reproduce the input signal at the output of the loop within its bandwidth in the scale of the inverse of this coefficient, which, in particular, for the current circuit, allows you to implement the correction between the input of the circuit and the motor in a rather arbitrary way, since the correspondence of the input signal to the developed moment is ensured by the balance between the current in the winding and the moment on the motor shaft.
Аппаратная реализация предлагаемых вариантов способов описана ниже. В качестве прототипов для них взят приведенный в [3, фиг. 4] электропривод. Он представляет собой последовательно соединенные датчик тока, сумматор, регулятор тока и электродвигатель, подвижный элемент которого кинематически связан с датчиком скорости, чей выход подключен ко входу формирователя компенсации трения. При этом вход датчика тока связан с цепью обмотки двигателя, выход формирователя компенсации трения, представляющего собой блок умножения, выход которого является выходом формирователя компенсации трения, а входы соединены с выходами блока нелинейности и дифференциатора, входы которых соединены между собой и подключены ко входу формирователя компенсации трения, сумматор имеет вход задания траекторной компоненты, а еще один его вход соединен с выходом формирователя компенсации трения.The hardware implementation of the proposed method options is described below. As prototypes for them taken is given in [3, FIG. 4] electric drive. It is a series-connected current sensor, an adder, a current controller and an electric motor, the movable element of which is kinematically connected with a speed sensor, whose output is connected to the input of the friction compensation former. The input of the current sensor is connected to the motor winding circuit, the output of the friction compensation former, which is a multiplication unit, the output of which is the output of the friction compensation former, and the inputs are connected to the outputs of the nonlinearity block and differentiator, the inputs of which are interconnected and connected to the input of the compensation former friction, the adder has an input job path components, and another input is connected to the output of the friction compensation shaper.
Недостатком этого электропривода является отсутствие учета инерционности нарастания тока в обмотке электродвигателя при вводе компенсации по трению, что приводит к увеличению ошибки и снижению быстродействия при отработке нагрузкой знакопеременных по скорости траекторий при наличии в нагружении компоненты типа «сухого» трения.The disadvantage of this electric drive is the lack of consideration of the inertia of the increase in current in the motor winding when entering friction compensation, which leads to an increase in error and a decrease in speed when the load develops trajectories of alternating speed in the presence of dry friction type components in the load.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности и быстродействия электропривода, отрабатывающего траекторию со знакопеременной скоростью движения, при нагружении, содержащем компоненту типа «сухого» трения.The aim of the proposed technical solution is to increase the accuracy and speed of the electric drive, which fulfills the trajectory with an alternating speed, when loaded, containing a component of the type of "dry" friction.
Для достижения заявленного положительного эффекта в электропривод без токового контура, содержащий последовательно соединенные формирователь компенсации трения и сумматор, а также последовательно соединенные электродвигатель и датчик скорости, при этом сумматор также имеет вход для подачи траекторной компоненты сигнала управления, дополнительно введен формирователь упреждения, причем вход формирователя упреждения соединен с выходом датчика скорости, выход формирователя упреждения - со входом формирователя компенсации трения, а выход сумматора - со входом двигателя.To achieve the claimed positive effect in an electric drive without a current circuit, containing a series-connected friction compensation driver and an adder, as well as a series-connected electric motor and a speed sensor, the adder also has an input for supplying the trajectory components of the control signal, an additional lead shaper is introduced, moreover, the driver input anticipation is connected to the output of the speed sensor, the output of the anticipator is connected to the input of the friction compensation former, and in adder move - with the engine inlet.
Соответственно, для варианта с токовым контуром в электропривод, содержащий формирователь компенсации трения, последовательно соединенные датчик тока, сумматор, регулятор тока, электродвигатель и датчик скорости, при этом датчик тока установлен с возможностью измерения тока в обмотке электродвигателя, а сумматор также имеет вход, предназначенный для подачи траекторной компоненты сигнала управления, и вход, соединенный с выходом формирователя компенсации трения, введен формирователь упреждения, причем вход формирователя упреждения соединен с выходом датчика скорости, а выход - со входом формирователя компенсации трения.Accordingly, for a variant with a current circuit into an electric drive containing a friction compensation driver, a current sensor, an adder, a current controller, an electric motor and a speed sensor connected in series, the current sensor is installed with the possibility of measuring current in the motor winding, and the adder also has an input for for supplying the trajectory component of the control signal, and the input connected to the output of the friction compensation former, the lead shaper is introduced, the input of the lead shaper with one with the speed sensor output, and the output - to the input of driver friction compensation.
Все примененные в электроприводе элементы являются по отдельности известными или могут быть получены путем соединения известных элементов известным образом. Датчик тока, сумматор, регулятор тока, датчик скорости могут быть реализованы аналогично описанному в прототипе. В качестве двигателей могут быть использованы электромеханические преобразователи (например силовые реле), коллекторные и бесколлекторные электродвигатели постоянного тока, синхронные электродвигатели с вентильным управлением, асинхронные электродвигатели, применяемые совместно с инверторами напряжения (при трогании и на малых скоростях используется амплитудное регулирование). Датчик скорости может измерять как непосредственно скорость на валу двигателя, так и па валу нагрузки или в любой удобной точке кинематической передачи от вала двигателя к нагрузке. Как уже отмечалось, особенности усилителей мощности, каналов обмена и сопряжения блоков между собой в настоящем описании не рассматриваются в силу очевидности для специалистов и несущественности для описываемых технических решений.All elements used in the electric drive are individually known or can be obtained by combining known elements in a known manner. The current sensor, adder, current controller, speed sensor can be implemented similarly as described in the prototype. As motors, electromechanical converters (e.g. power relays), collector and brushless DC motors, synchronous motors with valve control, asynchronous motors used in conjunction with voltage inverters (when starting and at low speeds, amplitude regulation is used) can be used. The speed sensor can measure both directly the speed on the motor shaft, and on the load shaft or at any convenient point of kinematic transmission from the motor shaft to the load. As already noted, the features of power amplifiers, channels of exchange and pairing of blocks with each other in the present description are not considered because of the obviousness for specialists and insignificance for the described technical solutions.
В одном из вариантов исполнения формирователь упреждения может быть реализован с использованием последовательно соединенных блока деления, первого блока определения знака, коммутатора, блока сравнения, таймера и запоминающего устройства, а также дифференциатора, последовательно соединенных блока определения абсолютной величины и сумматора и последовательно соединенных второго блока определения знака и инвертора. При этом первый вход блока деления, вход дифференциатора и вход второго блока определения знака соединены со входом формирователя упреждения, выход дифференциатора соединен со вторым входом блока деления, вход блока определения абсолютной величины соединен с выходом блока деления, выход блока определения абсолютной величины соединен со вторым входом блока сравнения, второй вход коммутатора является входом пороговой величины, второй вход таймера соединен с выходом сумматора, второй вход которого является входом поправки на упреждение, второй вход запоминающего устройства соединен с выходом инвертора, а выход запоминающего устройства соединен с выходом формирователя упреждения.In one embodiment, the lead shaper can be implemented using a series-connected division unit, a first character determination unit, a switch, a comparison unit, a timer and a memory device, as well as a differentiator, series-connected absolute value determination unit and an adder, and a second definition unit connected in series sign and inverter. In this case, the first input of the division unit, the input of the differentiator and the input of the second sign determination unit are connected to the input of the lead unit, the output of the differentiator is connected to the second input of the division unit, the input of the absolute value determination unit is connected to the output of the division unit, the output of the absolute value determination unit is connected to the second input comparison unit, the second input of the switch is a threshold value input, the second timer input is connected to the output of the adder, the second input of which is the input of the lead correction , the second input of the storage device is connected to the output of the inverter, and the output of the storage device is connected to the output of the lead shaper.
В другом варианте формирователь упреждения содержит последовательно соединенные нуль-орган и запоминающее устройство, последовательно соединенные блок задержки, блок определения знака и инвертор, выходом подключенный ко второму входу запоминающего устройства. При этом входы нуль-органа и блока задержки соединены со входом формирователя упреждения, а выход запоминающего устройства соединен с выходом формирователя упреждения.In another embodiment, the lead shaper comprises a null-organ and a storage device connected in series, a delay unit, a sign determination unit and an inverter connected in series to the second input of the storage device in series. The inputs of the zero-organ and the delay unit are connected to the input of the lead shaper, and the output of the storage device is connected to the output of the lead shaper.
Еще один вариант формирователя упреждения содержит блок задержки и последовательно соединенные масштабирующий усилитель и сумматор. При этом входы масштабирующего усилителя и блока задержки соединены со входом формирователя упреждения, выход блока задержки соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с выходом формирователя упреждения.Another variant of the lead shaper comprises a delay unit and series-connected scaling amplifier and adder. The inputs of the scaling amplifier and the delay unit are connected to the input of the lead shaper, the output of the delay block is connected to the second input of the adder, the output of which is connected to the output of the lead shaper.
Для иллюстрации предлагаемых технических решений приведены функциональные схемы: на фиг. 1 - привода без токового контура, на фиг. 2 - привода с токовым контуром, на фиг. 3 - вариантов формирователей упреждения соответственно с нуль-органом (а) и без него (б, в), на фиг. 4 - вариантов формирователя компенсации трения.Functional diagrams are shown to illustrate the proposed technical solutions: in FIG. 1 - actuator without current loop, in FIG. 2 - drives with a current circuit, in FIG. 3 - variants of lead shapers, respectively, with a null organ (a) and without it (b, c), in FIG. 4 - options for the friction compensation shaper.
На фиг. 1 показаны последовательно соединенные сумматор (1), электродвигатель (ЭД) (2), датчик (3) скорости (ДС), формирователь (4) упреждения (ФУ) и формирователь 5 компенсации трения (ФКТ), выходом соединенный со входом сумматора (1). Другой вход сумматора (1) служит для подачи траекторной компоненты сигнала управления Uтк.In FIG. 1 shows a series-connected adder (1), an electric motor (ED) (2), a speed sensor (3), a shaper (4) of a lead (F) and a
На фиг. 2 изображены последовательно соединенные сумматор (1), регулятор (6) тока (РТ), электродвигатель (2), датчик (3) скорости, формирователь (4) упреждения и формирователь (5) компенсации трения, выходом соединенный со входом сумматора (1), а также датчик (7) тока (ДТ), вход которого связан с цепью, соединяющей выход регулятора (6) тока с обмоткой электродвигателя (2), а выход датчика (7) тока подключен к соответствующему входу сумматора (1). Еще один вход сумматора (1) служит для подачи траекторной компоненты сигнала управления Uтк.In FIG. 2 shows a series-connected adder (1), current controller (6), current motor (2), an electric motor (2), a speed sensor (3), a lead shaper (4) and a friction compensation shaper (5) connected to the adder input (1) by an output as well as a current sensor (7) (DT), the input of which is connected to a circuit connecting the output of the current controller (6) to the motor winding (2), and the output of the current sensor (7) is connected to the corresponding input of the adder (1). Another adder input (1) serves to supply the path component of the control signal U tk .
На фиг. 3а показаны последовательно соединенные нуль-орган (НО) (8) и запоминающее устройство (ЗУ) (9), а также последовательно соединенные блок (10) задержки (БЗ), блок (11) определения знака (БОЗ) и инвертор (12), выход которого соединен со вторым входом запоминающего устройства (9). При этом входы нуль-органа (8) и блока (10) задержки соединены со входом формирователя (4) упреждения, а выход запоминающего устройства 9 - соответственно с выходом формирователя (4) упреждения.In FIG. 3a shows a series-connected null-organ (BUT) (8) and a storage device (memory) (9), as well as a series-connected block (10) delay (BZ), block (11) to determine the sign (BOS) and inverter (12) the output of which is connected to the second input of the storage device (9). In this case, the inputs of the zero-organ (8) and the delay unit (10) are connected to the input of the lead shaper (4), and the output of the
На фиг. 3б приведены последовательно соединенные дифференциатор (13), блок (14) деления (БД), первый блок (15) определения знака, коммутатор (16), блок (17) сравнения (БС), таймер (18) и запоминающее устройство (19), а также блок (22) формирования абсолютной величины (модуля) (БФМ), выход которого соединен со вторым входом блока (17) сравнения и первым входом сумматора (23), и последовательно соединенные второй блок (20) определения знака и инвертор (21), выходом соединенный со вторым входом запоминающего устройства (19). При этом второй вход таймера (18) соединен с выходом сумматора (23), второй вход которого служит для учета упреждения, вход блока (22) формирования абсолютной величины соединен с выходом блока (14) деления, вход дифференциатора (13) соединен со вторым входом блока (14) деления и входом второго блока (20) определения знака и является входом формирователя (4) упреждения, а выход запоминающего устройства (19) является выходом формирователя (4) упреждения. У коммутатора (16) показан второй вход, на который подается некоторое пороговое значение. Соответствующий вход как внешний на формирователь (4) упреждения на фиг. 1, 2 не показан, как и второй вход сумматора (23), так как соответствующие величины могут быть сформированы внутри формирователя упреждения, а возможность их получения извне не является существенной для предлагаемого технического решения.In FIG. 3b shows a series-connected differentiator (13), a division unit (14) for division (DB), a first sign determination unit (15), a switch (16), a comparison unit (17), a timer (18) and a storage device (19) and also a unit (22) for generating an absolute value (module) (BFM), the output of which is connected to the second input of the comparison unit (17) and the first input of the adder (23), and the second sign determination unit (20) and the inverter (21) connected in series ), an output connected to the second input of the storage device (19). In this case, the second input of the timer (18) is connected to the output of the adder (23), the second input of which serves to account for the lead, the input of the absolute value generating unit (22) is connected to the output of the division unit (14), the input of the differentiator (13) is connected to the second input block (14) division and the input of the second block (20) determine the sign and is the input of the shaper (4) lead, and the output of the storage device (19) is the output of the shaper (4) lead. At the switch (16), a second input is shown to which a certain threshold value is applied. The corresponding input as external to the lead shaper (4) in FIG. 1, 2 is not shown, as is the second input of the adder (23), since the corresponding values can be formed inside the lead shaper, and the possibility of receiving them from the outside is not essential for the proposed technical solution.
На фиг. 3в показаны блок (26) задержки и последовательно соединенные масштабирующий усилитель (24) и сумматор (25). Выход блока (26) задержки соединен со вторым входом сумматора (25), выход которого соединен с выходом формирователя (4) упреждения, а входы блока (26) задержки и масштабирующего усилителя (24) - соответственно со входом формирователя (4) упреждения.In FIG. 3c shows the delay unit (26) and the scaling amplifier (24) and the adder (25) connected in series. The output of the delay unit (26) is connected to the second input of the adder (25), the output of which is connected to the output of the lead shaper (4), and the inputs of the delay block (26) and the scaling amplifier (24) are connected to the input of the lead shaper (4), respectively.
На фиг. 4а изображены последовательно соединенные блок (27) определения знака и масштабирующий усилитель (28). При этом вход блока (27) определения знака соединен со входом формирователя (5) компенсации трения, а выход масштабирующего усилителя (28) - с выходом формирователя (5) компенсации трения.In FIG. 4a, the sign determination unit (27) and the scaling amplifier (28) are connected in series. In this case, the input of the sign-determining unit (27) is connected to the input of the friction compensation former (5), and the output of the scaling amplifier (28) is connected to the output of the friction compensation former (5).
На фиг. 4б показаны последовательно соединенные блок (29) определения знака, нуль-орган (30), генератор (31) импульсов, блок (32) умножения, первый масштабирующий усилитель (33) и сумматор (34), а также последовательно соединенные блок (35) задержки и второй масштабирующий усилитель (36). При этом вход блока (35) задержки и второй вход блока (32) умножения соединены со входом нуль-органа (30), выход второго масштабирующего усилителя (36) соединен со вторым входом сумматора (34), вход блока (29) определения знака, соединен со входом формирователя (5) компенсации трения, а выход сумматора (34) - с выходом формирователя (5) компенсации трения.In FIG. 4b shows a series-connected sign determination unit (29), a zero-organ (30), a pulse generator (31), a multiplication unit (32), a first scaling amplifier (33) and an adder (34), as well as a series-connected block (35) delays and a second scaling amplifier (36). The input of the delay unit (35) and the second input of the multiplication unit (32) are connected to the input of the null organ (30), the output of the second scaling amplifier (36) is connected to the second input of the adder (34), the input of the sign determination unit (29), connected to the input of the friction compensation former (5), and the output of the adder (34) to the output of the friction compensation former (5).
Схема, приведенная на фиг. 4в, отличается от приведенной на фиг. 4б тем, что блок (29) определения знака заменен на блок (37) нелинейности.The circuit shown in FIG. 4c differs from that shown in FIG. 4b in that the sign determination unit (29) is replaced by a nonlinearity block (37).
Работа приводов осуществляется следующим образом.The operation of the drives is as follows.
В вариантах привода без токового контура на первый вход сумматора (1) подается сигнал, соответствующий траекторной компоненте, то есть такой, который обеспечит движение нагрузки (подвижного элемента, изменение положения которого следует обеспечить), кинематически связанной с подвижным элементом двигателя, например валом, при отсутствии воздействия на привод возмущений. Под действием этого сигнала (после соответствующего усиления по мощности и напряжению) подвижный элемент (ротор, шток) электродвигателя (2) приходит в движение, что вызывает изменение сигнала с датчика (3) скорости, установленного с возможностью измерения скорости движения нагрузки. При реверсировании в случае наличия «сухого» трения движение остановится до тех пор, пока развиваемый электродвигателем (2) момент не превысит момент трения покоя. Это вызовет ошибку в отработке нагрузкой требуемого закона движения и временную задержку в приведении фактического закона движения в трубку допустимых отклонений относительно требуемого, то есть уменьшит быстродействие. Таким образом, возникает необходимость в преодолении за кратчайшее время трения покоя при том, что напряжение питания ограничено техническими характеристиками электродвигателя (2), которому также присуща инерционность из-за ненулевого значения его электрической постоянной времени. Поэтому на электродвигатель (2) следует подать компенсирующий сигнал в момент его остановки или даже ранее. То есть сформировать опережение по отношению к изменению знака скорости. С этой целью сигнал с датчика (3) скорости подается на формирователь (4) упреждения, который сформирует сигнал управления одновременно или с опережением к обнулению сигнала с датчика (3) скорости.In drive variants without a current loop, a signal corresponding to the trajectory component, i.e., one that ensures the movement of the load (movable element, which should be changed), kinematically connected with the moving motor element, for example, a shaft, is supplied to the first input of the adder (1) at no impact on the drive disturbances. Under the action of this signal (after a corresponding gain in power and voltage), the movable element (rotor, rod) of the electric motor (2) comes into motion, which causes a change in the signal from the speed sensor (3), which is installed with the ability to measure the speed of the load. When reversing in the presence of “dry” friction, the movement will stop until the moment developed by the electric motor (2) exceeds the moment of rest friction. This will cause an error in working out the required law of motion by the load and a time delay in bringing the actual law of motion into the tube of permissible deviations relative to the required one, that is, it will reduce the speed. Thus, there is a need to overcome the resting friction in the shortest time, despite the fact that the supply voltage is limited by the technical characteristics of the electric motor (2), which also has inertia due to the non-zero value of its electric time constant. Therefore, a compensating signal should be applied to the electric motor (2) at the moment of its stop or even earlier. That is, to form an advance in relation to a change in the sign of speed. To this end, the signal from the speed sensor (3) is supplied to the lead shaper (4), which will generate a control signal at the same time or ahead of time to zero the signal from the speed sensor (3).
Приведенный на фиг. 3а вариант формирователя (4) упреждения выдает сигнал при обнулении сигнала с датчика (3) скорости. Формирование сигнала производится следующим образом. Сигнал с датчика (3) скорости поступает на нуль-орган (8), сигнал на выходе которого имеет одно значение (например ноль или низкий уровень), когда на его входе ненулевые значения, и другое значение (например единица или высокий уровень), когда на его входе будет нулевое значение. По сигналу с нуль-органа, соответствующему прохождению скорости через ноль, производится перезапись в запоминающем устройстве (9), например устройстве выборки-хранения или оперативно-запоминающем устройстве. Поскольку предполагается, что знак скорости изменится после остановки, сигнал с датчика (3) скорости также подается на блок (10) задержки, чтобы иметь его значение до обнуления. Задержка устанавливается не менее длительности нарастания момента двигателя до уровня момента трогания, приведенного к валу двигателя, и обеспечивающей достаточно низкую чувствительность к случайным шумам в сигнале с датчика (3) скорости при близких к нулю его значениях. Задержанный сигнал подается на блок (11) определения знака. Блок (11) определения знака выдает релейный сигнал с двумя различимыми уровнями, например 1 и минус 1, соответствующими знаку скорости перед обнулением. Полученное значение инвертируется (меняет знак) в инверторе (12), и это значение запоминается в запоминающем устройстве (9) на интервале времени, соответствующем получению сигнала высокого уровня с нуль-органа (8). В результате с момента начала обнуления знака скорости на выходе запоминающего устройства (9) сигнал соответствует знаку ожидаемой скорости после окончания остановки.Referring to FIG. 3a, the lead former (4) generates a signal when the signal from the speed sensor (3) is zeroed. The formation of the signal is as follows. The signal from the speed sensor (3) enters the null-organ (8), the output of which has one value (for example, zero or low level) when its input has non-zero values, and another value (for example, one or high level) when its input will be zero. A signal from a null organ corresponding to the passage of speed through zero is overwritten in a storage device (9), for example, a fetch-storage device or random access memory. Since it is assumed that the sign of speed will change after stopping, the signal from the speed sensor (3) is also supplied to the delay unit (10) in order to have its value before zeroing. The delay is set not less than the duration of the increase in the engine torque to the level of the starting moment reduced to the motor shaft, and providing a sufficiently low sensitivity to random noise in the signal from the speed sensor (3) at values close to zero. The delayed signal is supplied to the sign determination unit (11). The sign determination unit (11) provides a relay signal with two distinguishable levels, for example 1 and
При реализации формирователя упреждения по схеме фиг. 3б работа его производится так. В дифференциаторе (13) вычисляется производная от входного сигнала, пропорционального скорости нагрузки, то есть получается сигнал пропорциональный ускорению. В блоке (9) деления производится деление сигнала пропорционального скорости на сигнал пропорциональный ускорению. Если знаки скорости и ускорения различны, то кратное деления будет являться оценкой интервала времени, через которое скорость обнулится после текущего момента времени. В блоке (15) определения знака формируется сигнал, соответствующий знаку частного, полученного из блока (9) деления. Этот сигнал выдается как управляющий на коммутатор (16). Когда сигнал с выхода блока (15) определения знака соответствует отрицательному значению частного с выхода БД (9), через коммутатор (16) на вход блока (17) сравнения передается положительное пороговое значение (в противном случае ноль), соответствующее малому интервалу времени, на протяжении которого с достаточно высокой вероятностью торможение не сменится ускорением. На второй вход блока (17) сравнения подается сформированный блоком (22) абсолютной величины модуль частного, полученного из БД (9). Если модуль частного меньше пороговой величины, что может иметь место только, когда частное отрицательно, так как в противном случае на вход БС (17) по соответствующему входу приходит ноль, блок (17) сравнения выдает управляющий сигнал на запускающий вход таймера (18). Время, которое должен отработать таймер (18), формируется в сумматоре (23) как разность между модулем частного, получаемым из блока (22) абсолютной величины, и величиной соответствующей требуемому упреждению, которая подается на второй вход сумматора (23). Полученное значение времени отсчета выдается с выхода сумматора (23) на второй вход таймера (18). Когда отсчет таймера доходит до нуля, он выдает управляющий сигнал на запоминающее устройство (19), по которому в нем производится перезапись хранящегося значения. Само перезаписываемое значение формируется аналогично вышеописанному для фиг. 3а с помощью блока (20) определения знака и инвертора (21). При этом на вход блока (20) определения знака подается сигнал, соответствующий скорости нагрузки с выхода датчика (3) скорости. По указанной выше причине знак скорости изменяется инвертором (21) на противоположный и подается на второй вход запоминающего устройства (19). Блок задержки в этом случае не нужен, так как упреждение учтено сигналом смещения на втором входе сумматора (23). Таким образом, на выходе запоминающего устройства (19) формируется сигнал, знак которого соответствует ожидаемому знаку скорости после обнуления, а момент начала его выдачи опережает ожидаемый момент времени обнуления скорости.When implementing the lead shaper according to the scheme of FIG. 3b his work is done like this. In the differentiator (13), the derivative of the input signal proportional to the load speed is calculated, that is, a signal proportional to acceleration is obtained. In the division block (9), the proportional speed signal is divided by the signal proportional to acceleration. If the signs of speed and acceleration are different, then the multiple division will be an estimate of the time interval after which the speed will be reset to zero after the current time. In the block (15) for determining the sign, a signal is generated corresponding to the sign of the quotient obtained from the division block (9). This signal is issued as a control signal to the switch (16). When the signal from the output of the sign determination unit (15) corresponds to a negative value of the quotient from the output of the database (9), a positive threshold value (otherwise zero) corresponding to a small time interval is transmitted to the input of the comparison unit (17) during which, with a fairly high probability, braking will not be replaced by acceleration. The second module of the quotient obtained from the database (9) generated by the absolute value block (22) is fed to the second input of the comparison unit (17). If the modulus of the quotient is less than the threshold value, which can only occur when the quotient is negative, since otherwise zero arrives at the BS input (17) at the corresponding input, the comparison unit (17) issues a control signal to the trigger timer input (18). The time that the timer (18) should work out is formed in the adder (23) as the difference between the quotient module obtained from the absolute value block (22) and the value corresponding to the required lead, which is supplied to the second adder input (23). The obtained value of the countdown time is issued from the output of the adder (23) to the second input of the timer (18). When the timer reaches zero, it issues a control signal to the storage device (19), by which it overwrites the stored value. The rewritable value itself is formed in the same way as described above for FIG. 3a using the sign determination unit (20) and the inverter (21). At the same time, a signal corresponding to the load speed from the output of the speed sensor (3) is supplied to the input of the sign determination unit (20). For the above reason, the sign of speed is reversed by the inverter (21) and fed to the second input of the storage device (19). The delay block is not needed in this case, since the lead is taken into account by the bias signal at the second input of the adder (23). Thus, a signal is generated at the output of the storage device (19), the sign of which corresponds to the expected sign of speed after zeroing, and the moment of the start of its output is ahead of the expected time of zeroing speed.
Функциональная схема, приведенная на фиг. 3в, реализует зависимость (3а). На входы масштабирующего усилителя (24) и блока (26) задержки поступает сигнал, соответствующий скорости нагрузки, с датчика (3) скорости. В сумматоре (25) из соответствующим образом отмасштабированного сигнала с выхода МУ (24) вычитается сигнал с выхода блока (26) задержки, домноженный на коэффициент по своему входу сумматора (25). Учитывая сказанное при выводе зависимости (3а), сигнал на выходе сумматора (25) будет пропорционален сигналу скорости в момент времени t+μΔt относительно текущего момента времени t (Δt - задержка, вносимая БЗ (26). То есть в данном варианте реализации формирователя (4) упреждения его выходной сигнал пропорционален ожидаемой скорости, а не только ее знаку.The functional diagram shown in FIG. 3c, realizes the dependence (3a). The inputs of the scaling amplifier (24) and the delay unit (26) receive a signal corresponding to the load speed from the speed sensor (3). In the adder (25), the signal from the output of the delay unit (26), multiplied by the coefficient at its input of the adder (25), is subtracted from the correspondingly scaled signal from the output of the MU (24). Considering what was said in the derivation of dependence (3a), the signal at the output of the adder (25) will be proportional to the speed signal at time t + μΔt relative to the current time t (Δt is the delay introduced by the KB (26). That is, in this embodiment of the imaging unit ( 4) anticipating its output signal is proportional to the expected speed, and not just its sign.
С выхода формирователя (4) упреждения сигнал поступает на вход формирователя (5) компенсации трения. В простейшем случае реализации (фиг. 4а) в ФКТ (5) сигнал проходит через блок (27) определения знака и масштабирующий усилитель (28). В этом случае формируется только сигнатурная компонента компенсации трения, а масштабирующий усилитель (28) доводит величину сигнала на выходе ФКТ (5) до уровня, соответствующего, например, величине трения движения или трения покоя.From the output of the lead shaper (4), the signal is fed to the input of the shaper (5) of friction compensation. In the simplest case of implementation (Fig. 4a) in FCT (5), the signal passes through the sign-determining unit (27) and a scaling amplifier (28). In this case, only the signature component of the friction compensation is formed, and the scaling amplifier (28) brings the signal at the output of the FCT (5) to a level corresponding, for example, to the magnitude of the motion friction or the rest friction.
При реализации формирователя (5) компенсации трения по варианту схемы фиг. 4б входной сигнал поступает на блок (29) определения знака, выполненного с возможностью выдавать трехпозиционный сигнал (например, положительному входному сигналу ставить в соответствие единицу, отрицательному - минус единицу, а моменту смены знака - ноль). С выхода блока (29) определения знака сигнал передается на вход перемножителя (32) (для присвоения знака результату), нуль-орган (30) и блок (35) задержки. Нуль-орган (30) при поступлении на его вход нулевого сигнала вырабатывает управляющий сигнал, который запускает генератор (31) импульсов, выполненный как одновибратор. Длительность и форма заднего фронта импульса определяются конкретной реализацией схемы одновибратора. Полученный импульс с выхода ГИ (31) подается на перемножитель (32). Перемножитель (32) присваивает импульсу знак сигнала на входе ФКТ (5). Так как длительность импульса на выходе ГИ (31) больше длительности сигнала с нуль-органа (30) при смене знака входного сигнала на входе ФКТ (5), то сигнал на выходе перемножителя (32) имеет либо знак ожидаемой после остановки скорости, либо нулевое значение. Сигнал с выхода перемножителя (32) после масштабирующего усилителя (33) доводится до уровня, соответствующего импульсной компоненте компенсации трения. Блок (35) задержки и масштабирующий усилитель (36) формируют аналогично описанному про работу формирователя (5) компенсации трения для схемы фиг. 4а сигнатурную компоненту сигнала компенсации трения. Сумматор (34) объединяет обе компоненты и выдает суммарный сигнал компенсации трения.When implementing the friction compensation driver (5) according to a variant of the circuit of FIG. 4b, the input signal is sent to the sign determination unit (29), configured to output a three-position signal (for example, to assign a positive input signal to one, negative to minus one, and zero when the sign changes). From the output of the sign determination unit (29), the signal is transmitted to the input of the multiplier (32) (for assigning the sign to the result), the null-organ (30), and the delay unit (35). The zero-organ (30), when a zero signal is received at its input, generates a control signal that starts the pulse generator (31), made as a single-shot. The duration and shape of the trailing edge of the pulse are determined by the specific implementation of the single-shot circuit. The received pulse from the output of the GI (31) is fed to the multiplier (32). The multiplier (32) assigns the pulse the sign of the signal at the input of the FCT (5). Since the pulse duration at the output of the GI (31) is longer than the duration of the signal from the null organ (30) when the sign of the input signal at the input of the FCT (5) changes, the signal at the output of the multiplier (32) has either the sign of the speed expected after stopping, or zero value. The signal from the output of the multiplier (32) after the scaling amplifier (33) is brought to the level corresponding to the pulse component of the friction compensation. The delay unit (35) and the scaling amplifier (36) are formed in the same way as described for the operation of the friction compensation generator (5) for the circuit of FIG. 4a signature component of a friction compensation signal. The adder (34) combines both components and generates a total friction compensation signal.
В отличие от реализации ФКТ (5) по схеме фиг. 4б при его реализации по схеме фиг.4в входной сигнал поступает на блок (37) нелинейности, который формирует зависимость между моментом трения и ожидаемой скоростью нагрузки для конкретного случая, то есть более общего вида чем релейная, но также обеспечивающую выдачу нулевого сигнала при смене знака сигнала на его входе (например, типа приведенной в [3] на фиг. 3). Поэтому функционирование цепочки от входа нуль-органа (30) до входа масштабирующего усилителя (33) такое же как для функциональной схемы по фиг. 4б. Импульс на выходе перемножителя (32) имеет длительность, задаваемую генератором импульсов (31) и знак ожидаемой после остановки скорости. Однако, величина будет другой, так как умножение при присвоении знака производится не на единицу. Это вызывает необходимость использования масштабирующего усилителя (33) с измененным коэффициентом передачи. Цепочка блок (35) задержки, масштабирующий усилитель (36) вырабатывает компоненту компенсирующего сигнала, зависящую от скорости движения нагрузки. Таким образом, на выходе сумматора (34) сигнал соответствует сумме импульсной компоненты, позволяющей быстро стронуть с места нагрузку после остановки, и компоненты пропорциональной трению движения. То есть вариант формирователя (5) компенсации трения по схеме фиг. 4в является наиболее функциональным из рассмотренных, но на его вход с формирователя (4) упреждения нужно подавать сигнал пропорциональный не знаку, а ожидаемой после остановки скорости движения нагрузки.In contrast to the implementation of FCT (5) according to the scheme of FIG. 4b, when implemented according to the scheme of Fig. 4c, the input signal is supplied to a non-linearity block (37), which forms a relationship between the friction moment and the expected load speed for a particular case, that is, more general than the relay, but also providing a zero signal when changing sign signal at its input (for example, the type shown in [3] in Fig. 3). Therefore, the functioning of the chain from the input of the null organ (30) to the input of the scaling amplifier (33) is the same as for the functional circuit of FIG. 4b. The pulse at the output of the multiplier (32) has a duration specified by the pulse generator (31) and the sign of the speed expected after stopping. However, the value will be different, since the multiplication when assigning a sign is not performed by one. This necessitates the use of a scaling amplifier (33) with a modified gain. The chain block delay (35), a scaling amplifier (36) generates a component of the compensating signal, depending on the speed of the load. Thus, at the output of the adder (34), the signal corresponds to the sum of the pulse component, which allows you to quickly move the load after stopping, and the component is proportional to the motion friction. That is, a variant of the friction compensation shaper (5) according to the circuit of FIG. 4c is the most functional of the considered ones, but its input from the shaper (4) of the prefixes needs to be supplied with a signal proportional not to the sign, but expected after the stop of the speed of the load.
С выхода формирователя (5) компенсации трения сигнал поступает на второй вход сумматора (1), где добавляется к траекторной компоненте сигнала управления электродвигателем (2). Наличие сигнала компенсации трения на входе электродвигателя (2), который поступает с опережением к моменту смены знака скорости нагрузки, позволяет уменьшить влияние инерционности нарастания тока в обмотке двигателя, сокращая время, требуемое на развитие электродвигателем (2) момента, превышающего момент трения покоя. Тем самым уменьшаются ошибки отработки электроприводом траекторной компоненты сигнала управления, и повышается его быстродействие. После страгивания компенсирующий сигнал не приводит к дополнительному увеличению ошибки, так как:From the output of the friction compensation shaper (5), the signal enters the second input of the adder (1), where it is added to the trajectory component of the motor control signal (2). The presence of a friction compensation signal at the input of the electric motor (2), which arrives ahead of the time when the sign of the load speed changes, reduces the influence of the inertia of the increase in current in the motor winding, reducing the time required for the electric motor (2) to develop a moment exceeding the resting friction moment. Thereby, errors in the development of the trajectory components of the control signal by the electric drive are reduced, and its speed is improved. After straining, the compensating signal does not lead to an additional increase in error, since:
- импульсная компонента компенсирующего трение сигнала обнуляется;- the pulse component of the friction compensating signal is reset;
- сигнатурная часть фрикционной компоненты направлена против трения движения и, по крайней мере частично, компенсирует его возмущающее действие на отработку задаваемого закона движения;- the signature part of the friction component is directed against the friction of the movement and, at least partially, compensates for its disturbing effect on the development of the set law of motion;
- переменная часть фрикционной компоненты также направлена против трения движения (его переменной составляющей), а наличие опережения ввиду его малости не приводит к существенному различию компенсируемого возмущения и момента двигателя, развиваемого под действием переменной части фрикционной компоненты, более того, из-за инерционности обмотки малое опережение позволяет точнее воспроизвести компенсируемое возмущение.- the variable part of the friction component is also directed against the friction of the movement (its variable component), and the advance due to its smallness does not lead to a significant difference between the compensated perturbation and the motor torque developed under the action of the variable part of the friction component, moreover, because of the inertia of the winding the lead allows you to more accurately reproduce the compensated disturbance.
То есть положительный эффект имеет место не только непосредственно при реверсе, но и после него.That is, a positive effect takes place not only directly during the reverse, but also after it.
Работа электропривода с токовым контуром обратной связи, в основном, аналогична вышеописанному. Отличия вызваны тем, что в разрыв между сумматором (1) и электродвигателем (2) установлен регулятор (6) тока, сумматор (1) дополнен еще одним входом, к которому подключен датчик (7) тока, измеряющий ток в обмотке (цепи питания) электродвигателя (2). При этом сигнал на выходе сумматора (1) содержит три компоненты: траекторную, компенсации трения (фрикционную) и обратной связи по току, а траекторная компонента формируется таким образом, чтобы пропорциональный ей ток в обмотке электродвигателя (2) приводил к движению нагрузки в соответствии с требуемым законом. Сигнал с выхода сумматора (1) подается на вход регулятора (6) тока. В регуляторе (6) тока сигнал усиливается и преобразовывается с целью достижения требуемых динамических характеристик привода при обеспечении устойчивости, после чего подается на электродвигатель (2), приводя его в движение. Датчик (3) скорости, формирователь (4) упреждения и формирователь (5) компенсации трения работают так же как и в приводе без токового контура. Датчик (7) тока измеряет ток в обмотке электродвигателя (2) и выдает сигнал, соответствующий измеренному току, на третий вход сумматора (1). Датчик тока может быть как гальванически связан с обмоткой двигателя (например выполнен в виде шунта), так и гальванически развязанным от нее (например, использующий эффект Холла). Фазировка выдаваемого датчиком (7) тока сигнала должна быть такой, чтобы с учетом знака коэффициента суммирования по третьему входу сумматора (1) формировался контур с отрицательной обратной связью. Так как при наличии токового контура в приводе каждая компонента на входе сумматора (1) формирует соответствующий ток, коэффициент по второму его входу устанавливается таким, чтобы компонента тока в обмотке, вызванная сигналом с выхода формирователя (5) компенсации трения, соответствовала расчетным моментам компенсации.The operation of the electric drive with a current feedback loop is basically the same as described above. The differences are caused by the fact that a current regulator (6) is installed in the gap between the adder (1) and the electric motor (2), the adder (1) is supplemented by another input to which a current sensor (7) is connected, which measures the current in the winding (power supply circuit) electric motor (2). In this case, the signal at the output of the adder (1) contains three components: trajectory, friction compensation (friction) and current feedback, and the trajectory component is formed so that the current proportional to it in the motor winding (2) leads to the movement of the load in accordance with required by law. The signal from the output of the adder (1) is fed to the input of the current controller (6). In the current regulator (6), the signal is amplified and converted in order to achieve the required dynamic characteristics of the drive while ensuring stability, after which it is supplied to the electric motor (2), setting it in motion. The speed sensor (3), the lead shaper (4) and the friction compensation shaper (5) work in the same way as in the drive without a current loop. The current sensor (7) measures the current in the motor winding (2) and provides a signal corresponding to the measured current to the third input of the adder (1). The current sensor can be both galvanically connected to the motor winding (for example, made in the form of a shunt), and galvanically isolated from it (for example, using the Hall effect). The phasing of the signal current emitted by the sensor (7) must be such that, taking into account the sign of the summation coefficient, a negative feedback loop is formed at the third input of the adder (1). Since, if there is a current circuit in the drive, each component at the input of the adder (1) generates a corresponding current, the coefficient of its second input is set so that the current component in the winding caused by the signal from the output of the friction compensation generator (5) corresponds to the calculated compensation times.
Таким образом, за счет опережающей подачи на вход сумматора (1) сигнала компенсации трения в приводе с токовым контуром уменьшается ошибка отработки требуемого закона движения нагрузки, задаваемого траекторной компонентой сигнала управления, и повышается его быстродействие. Дополнительный эффект достигается за счет того, что использование контура с отрицательной обратной связью по току можно рассматривать как способ снижения инерционности нарастания тока в обмотке электродвигателя (2). Действительно, если коэффициент по токовому контуру равен К и электрическая постоянная обмотки равна Тдв, то в силу известных положений теории автоматического управления [8] постоянная времени замкнутого токового контура будет равна Тдв/К.Thus, due to the advancing supply to the input of the adder (1) of the friction compensation signal in the drive with a current circuit, the error in developing the required load motion law specified by the trajectory component of the control signal is reduced, and its speed is increased. An additional effect is achieved due to the fact that the use of a circuit with negative current feedback can be considered as a way to reduce the inertia of the increase in current in the motor winding (2). Indeed, if the coefficient on the current loop is equal to K and the electric constant of the winding is equal to T dv , then, due to the well-known provisions of the theory of automatic control [8], the time constant of the closed current loop will be equal to T dv / K.
Как видно из приведенного описания, получение положительного эффекта в виде уменьшения ошибки отработки требуемого закона движения нагрузки и повышения быстродействия электропривода достигается совокупностью предлагаемых операций и устройств для их осуществления, которая не использовалась ранее для достижения указанной цели.As can be seen from the above description, obtaining a positive effect in the form of reducing the error of working out the required law of motion of the load and increasing the speed of the electric drive is achieved by the combination of the proposed operations and devices for their implementation, which was not used previously to achieve this goal.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Сайт «Естественные науки», Раздел «Сила трения. Скольжение», http://estnauki.ru/fizika/3-fizika/431-sila-treniya-skolzhenie.html.1. Site "Natural Sciences", Section "Friction. Glide ”, http://estnauki.ru/fizika/3-fizika/431-sila-treniya-skolzhenie.html.
2. Теория автоматического управления. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Книга 3. Исполнительные устройства и сервомеханизмы. Глава 7. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА ПРИ СУБКРИТИЧЕСКИХ СКОРОСТЯХ ИЗМЕНЕНИЯ ВХОДНОГО СИГНАЛА, http://stu.scask.ru/book_ar3.php?id=10.2. The theory of automatic control. Devices and elements of automatic regulation and control systems.
3. Малафеева А.А., Патент РФ №2079961, МПК Н02Р 5/06, 1992 г.3. Malafeeva A.A., RF Patent No. 2079961,
4. Буревич А.А., Казнадий О.В. «Методы уменьшения влияния сухого трения в системе угловой стабилизации микроспутника с использованием двигателей-маховиков», http://www.rusnauka.com/3_ANRR_2009/Tecnic/39926.doc.htm.4. Burevich A.A., Kaznadiy O.V. “Methods to reduce the effect of dry friction in the system of angular stabilization of a microsatellite using flywheel engines”, http://www.rusnauka.com/3_ANRR_2009/Tecnic/39926.doc.htm.
5. Патент РФ №2072545, МПК G05B 11/01, 1993 г.5. RF patent No. 2072545, IPC G05B 11/01, 1993
6. Воронин С.Г., Электропривод летательных аппаратов: Учебно-методический комплекс - Offline версия 1.0. - Челябинск, 1995-2011. Глава 9, Следящие электроприводы, Параграф 9.5. http://model.exponenta.ru/epivod/glv_090.htm.6. Voronin SG, Electric drive of aircraft: Educational-methodical complex - Offline version 1.0. - Chelyabinsk, 1995-2011.
7. СУХОЕ ТРЕНИЕ И КОМПЕНСАЦИЯ ЕГО ВЛИЯНИЯ, http://proizvodim.com/suxoe-trenie-i-kompensaciya-ego-vliyaniya.html.7. DRY FRICTION AND COMPENSATION OF ITS INFLUENCE, http://proizvodim.com/suxoe-trenie-i-kompensaciya-ego-vliyaniya.html.
8. Учебно-образовательный портал «Лекции-онлайн». Теория автоматического управления. Лекция 4: Основные характеристики систем автоматического управления. Глава 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ. 3.4. ПРАВИЛА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ, http://mylect.ru/2011-06-03-15-41-26/tau-theory/131--4-.html?start=3.8. Educational and educational portal "Lectures-online." Theory of automatic control. Lecture 4: The main characteristics of automatic control systems.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016134523A RU2628757C1 (en) | 2016-08-24 | 2016-08-24 | Method of electric drive control and device for its implementation (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016134523A RU2628757C1 (en) | 2016-08-24 | 2016-08-24 | Method of electric drive control and device for its implementation (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2628757C1 true RU2628757C1 (en) | 2017-08-22 |
Family
ID=59744727
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016134523A RU2628757C1 (en) | 2016-08-24 | 2016-08-24 | Method of electric drive control and device for its implementation (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2628757C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2146801A (en) * | 1983-09-16 | 1985-04-24 | Emi Plc Thorn | Control of robots |
| SU1617597A1 (en) * | 1987-06-23 | 1990-12-30 | Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина | Electric drive |
| RU2072545C1 (en) * | 1993-02-16 | 1997-01-27 | Акционерное общество открытого типа "ЛОМО" | Linear movement drive |
| RU2079867C1 (en) * | 1994-04-05 | 1997-05-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Device for control of robot drive |
| RU2079961C1 (en) * | 1992-10-30 | 1997-05-20 | Алевтина Анатольевна Малафеева | Fixed-load drive control device |
| WO2006075775A1 (en) * | 2005-01-14 | 2006-07-20 | Nsk Ltd. | Electric power steering device controller |
| US20070096672A1 (en) * | 2005-10-28 | 2007-05-03 | Nsk Ltd. | Electric power steering apparatus and controller therefor |
| JP2014122017A (en) * | 2012-11-26 | 2014-07-03 | Jtekt Corp | Control system |
-
2016
- 2016-08-24 RU RU2016134523A patent/RU2628757C1/en active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2146801A (en) * | 1983-09-16 | 1985-04-24 | Emi Plc Thorn | Control of robots |
| SU1617597A1 (en) * | 1987-06-23 | 1990-12-30 | Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина | Electric drive |
| RU2079961C1 (en) * | 1992-10-30 | 1997-05-20 | Алевтина Анатольевна Малафеева | Fixed-load drive control device |
| RU2072545C1 (en) * | 1993-02-16 | 1997-01-27 | Акционерное общество открытого типа "ЛОМО" | Linear movement drive |
| RU2079867C1 (en) * | 1994-04-05 | 1997-05-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Device for control of robot drive |
| WO2006075775A1 (en) * | 2005-01-14 | 2006-07-20 | Nsk Ltd. | Electric power steering device controller |
| EP2256019A2 (en) * | 2005-01-14 | 2010-12-01 | NSK Ltd. | Control apparatus for electric power steering apparatus |
| US20070096672A1 (en) * | 2005-10-28 | 2007-05-03 | Nsk Ltd. | Electric power steering apparatus and controller therefor |
| JP2014122017A (en) * | 2012-11-26 | 2014-07-03 | Jtekt Corp | Control system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7638965B2 (en) | Motor control apparatus | |
| Liu et al. | Precise slow motion control of a direct-drive robot arm with velocity estimation and friction compensation | |
| JPS63274385A (en) | Speed controller for servo-motor | |
| JP5028630B2 (en) | Method and apparatus for controlling positioning mechanism | |
| WO2008075558A1 (en) | Position controller | |
| US20140139169A1 (en) | Reduction Of Periodic Disturbances | |
| KR950007104B1 (en) | Servo motor control device | |
| JP2015018496A (en) | Friction compensation device, friction compensation method and servo control device | |
| JP2012130160A (en) | Friction compensation method, motor control method, friction compensation device, and motor control device | |
| RU2628757C1 (en) | Method of electric drive control and device for its implementation (versions) | |
| JP7291095B2 (en) | Stepping motor controller | |
| JPH09282008A (en) | Servo controller | |
| JP4446253B2 (en) | Motor control device | |
| JP5845433B2 (en) | Motor drive device | |
| Ruderman et al. | Semi-dual loop control of two-mass actuator system using Luenberger state observer | |
| Aghaee et al. | BLDC motor speed control based on MPC sliding mode multi-loop control strategy–implementation on Matlab and Arduino software | |
| JP3049946B2 (en) | Load inertia measuring device | |
| JPS6130514B2 (en) | ||
| JP2019221032A (en) | Electric motor control device | |
| KR20010039851A (en) | Disk storage device and method of deciding the position of the head | |
| JP5493941B2 (en) | Position command generator | |
| KR970055208A (en) | Speed Control Method and Speed Control Device of Servo Motor | |
| JP4922954B2 (en) | Position control device | |
| WO2018142868A1 (en) | Position control device and method | |
| Kim et al. | Disturbance observer with binary control theory |