Способ астатического регулирования скорости двигателя постоянного тока

 

СПОСОБ АСТАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, при котором-в переходных процессах Формируют напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, интегрируют его, ограничивают на уровне пррпорх кональном максимсшьно допустимому току якоря и сравнивёиот полученноенапряжение с напряжением, пропорциональным току якоря, результат сравнения преобразуют в напряжение на якоре двигателя, отл и ч ающи йся тем, что, с целью повышения качества регулирования, дополнительно определяют напряжение, пропорциональное -производной скорости двигателя , формируют напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, уменьшают его вдвое, сравнивают с натфяжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости, и по результату сравнения формируют .напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, при этом напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, .обнуляют при достижении нулевых значений (О напряжения, пропорционального текущему отклонению скорости от заданного значения, или напряжения, пропорционального производной скорости двигателя. о 9) ч СЛ 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11j

ЗС59 Н 02 Р 5 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ )ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3405651/24-07 (22 ) . 10. 03. 82 (46.) 15.01.84. Бюл. Р 2 (72) В.П.Казанцев и В.И.Петренко (71) Пермский политехнический институт (53 ) 621.316.718.5(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 479208, кл.. Н 02 P 5/06.

2. Патент Японии Р 55-39996, .кл. Н 02 Р 5/06, 1980. (54)(57) СПОСОБ АСТАТИЧЕСКОГО РЕГУJQfPOBAHHH СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ IIOCTORH»

НОГО ТОКА, при котором.в переходных процессах формируют напряженке, пропорциональное заданной производной тока якоря, интегрируют его, огра- ничивают на уровне пропорциональном максимально допустимому току якоря и сравнивают полученное напряжение с напряжением, пропорциональным току якоря, результат сравнения преобразуют в напряжение на якоре двигателя, отличающийся тем, что, с целью повьааения качества регулирования, дополнительно определяют напряжение, пропорциональное производной скорости двигателя, форьыруют напряжение, пропорциональное максимальному. отклонению скорости в переходном процессе, уменьшают его вдвое, сравнивают с напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости, и по результату сравнения формируют напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, при этом напряжение, пропорциональное максимальному отклойению скорости в переходном процесса, .обнуляют g при достижении нулевых значений напряжения, пропорционального текущему отклонению скорости от заданно.го значения, или напряжения,,пропорционального производной скорости двигателя.

1067581

Изобретение относится к электро-, технике, а именно к .управлению электроприводами постоянного тока с независимым возбуждением, питаевым по цепи якоря от управляемого преобразователя, и может быть использовано для систем стабилизации .скорости вращения электроприводов, статическая нагрузка и момент инерции которых могут меняться в широких пределах..

Известен способ астатического регулирования скорости двигателя, заключающийся в том, что в закон регулирования вводят интегральную составляющую от .ошибки регулирова- 15 ния по скорости, обеспечивающую в установившихся режимах нулевую статическую ошибку регулирования скорости t. 11 .

Недостатком известного способа 20 является то, что при изменении пара-. метров электропривода, в частности момента инерции, в широких пределах показатели качества регулирования ухудшаются, поскольку параметры ре-. гуляторов рассчитываются для вполне определенных параметров электропривода. кроме, того, скорость нараста. ния тока якоря, определяющая условия коммутации двигателя, может оказаться недопустимо большой, поскольку отсутствует ограничение темпа нарастания тока якоря.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ астатического регулирования скорости двигателя постояйного тока, при котором в переходных процессах формируют напряжение, пропорциональ.ное заданной производной тока якоря, интегрируют его, ограничивают на . . 40 уровне пропорциональном максимально . допустимому току якоря и сравнивают полученное напряжение с напряжением, пропорциональным току якоря, резуль-. тат сравнения преобразуют в напряже- 45 ние на якоре двигателя l2) .

Недостатком данного- способа является то, что при изменении момента, инерции электропривода качество переходных процессов по данному спосо- 50 бу регулирования скорости ухудшается °

Это связано с тем, что процесс регулирования ведется для объекта с неизменными параметрами.

Цель изобретения — повышение качества регулирования скорости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу астатического регулирования скорости двигателя постоянного тока, при котором 60 в переходных процессах формируют напряжение, пропорциональное задан-. ной производной тока якоря, интегрируют его, ограничивают на уровне ,пропорциональном максимально допус- 65 тимому току якоря и Gpàâíèâàþò полученное напряжение с напряжением, пропорциональным току якоря, резуль- тат сравнения преобразуют в напря-, жение на якоре двигателя, дополнительно определяют напряжение, пропорциональное производной скорости двигателя, формИруют напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, уменьшают его вдвое, сравнивают с.напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости, и по результату сравнения формируют напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, при этом напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в пе.рЕходном процессе., обнуляют при достижении нулевых значений напряжения, пропорционального текущему отклонению скорости от заданного значения, или напряжения,.пропорционального производной скорости двигателя.

На фиг. 1 нрйведена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ; н@ фиг. 2 - кривые переходных процессов при ступенчатом набросе статической нагрузки на ва,лу привода (18 - ток якоря, 19 и 20динамическое падение. скорости двигателя при двух различных по величи не моментах инерции электрапривода); иа фиг..3 - кривые переходных процессов "в малом" при ступенчатом изменении сигнала задания скорости (21 и 23 — ток якоря и. 22.и 24 приращение скоростй двигателя при двух различных,по величине моментах инерции привода);.-на фиг. 4 - кривые переходных процессов "в большом", т.е. при достаточно больших ступенчатых приращениях сигнала задания скорости двигателя (25 - ток якоря)..

Устройство, реализующее способ, состоит (фиг. 1) из последовательно включенных регулятора 1 скорости, задатчика 2 интенсивности тока якоря, содержащего последовательно включенные усилитель-ограничитель 3 и интегрирующее звено 4 с элементами 5 ограничения выходного напряжения, регулятора 6 тока якоря, управляемого преобразователя 7, выходом подключенного к якорной цепи двигателя 8. Датчики 9 тока якоря и датчик 10 скорости двигателя подключены ко входам соответствующих регуляторов; регулятор 1 скорости содержит первый суммирующий усилитель 11, второй суммирующий усилитель 12 с различными коэффициентами передачи по входам, двухсторонний амплитудный детектор 13, логическую схему

14 ИЛИ, нуль-органы 15 и 16, причем выход первого суммИрующего усилителя

11 подключен ко входам нуль-органа

1067581

15, двухстороннего амплитудного детектора 13 и к первому неинвертирующему входу второго суммирующего усилителя 12, ко второму инвертирующему входу которого подключен выход двухстороннего амплитудного детектора 13, к цепи сброса напряжения последнего подключен выход логической схемы ИЛИ, входы которой соединены с выходом нуль-органов, вход нуль-органа 16 соединен с выходом 10 датчика 17 динамического тока якоря.

При функционировании систеьж в условиях изменяющегося сигнала задания скорости, т.е. не в режиме стабилизации скорости, в устройство f5 для реализации способа могут быть введены элементы ограничения выходного напряжения первого суммирующего усилителя в целях повышения быстродействия системы при больших откло-20 нениях напряжения задания скорости.

Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме работы среднее значение отклонения скорос-ти от заданного значения равно нулю, т.е. b М = - 9 = О, где 8 3 отклонение скорости от заданного значения; 4 — заданное значение скорости; 4 — величина действитель-, 30 ной скорости двигателя.

Средние значения. напряжений 0л ц на выходах соответственно первого и второго суммирующих усилителей

11 и 12 равны нулю. Среднее значение 35 выходного напряжения Ug двухстороннего амплитудного детектора 13 равно нулю, запоминаемые им максимальные мгновенные отклонения скорости от установившегося значения тут же сбра- 40 .сываются на нуль, поскольку на выходах. нуль-органов 15 и 16 в квазиус-. тановившихся режимах отклонение скорости двигателя и ее производная колеблются с достаточно большой час- 45 тотой около нулевого значения ) формируются сигналы логической "1", воздействующие через логическую схему

14 ИЛИ на цепь сброса напряжения двухстороннего амплитудного детектора 13. Среднее значение напряжения на выходе усилителя-ограничителя 3 равно нулю, напряжение задания тока якоря на выходе интегрирующего звена 4 равно напряжению датчика 9 тока якоря.

При набросе статической нагрузки на валу привода скорость V двигателя падает, что приводит к появлению напряжения, пропорционального откло- 60 нению скорости от установившегося значения на выходе первого суммирую-. щего усилителя 11, т.е. UI- =К.л Я -V)

I где К - коэффициент усиления перво Го суммирующего усилителя 1 1 V установившееся значение" скорости дви гателя.

Двухсторонний амплитудный детектор 13 формирует напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе. Второй суммирующий усилитель 12 выполнен с коэффициентом передачи по неинвертирующему входу, абсолютная величина которого в два раза.больше, чем абсолютная величина коэффициента передачи по инвертирующему входу этого усилителя. В связи.с этим напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, уменьшается вдвое. Необходимость уменьшения вдвое напряжения, пропорционального максимальному отклонению скорости в переходном процессе, обусловлена тем, что при описании управляемого преобразователя 7 безинерционным звеном система управления электроприводом представляет собой интегратор второго порядка, оптимальный по быстродействию переходный процесс в которой обеспечивается при переключениях.в моменты времени, соответствующие половине максимального отклонения скорости.

В суммирующем усилителе 12 уменьшенное вдвое напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости, в переходном процессе сравнивается с напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости °

На выходе усилителя-ограничителя 3 формируется напряжение., пропорциональное заданной производной тока якоря, которое интегрируется интегрирующим звеном 4 и ограничивается элементом 5 ограничения. Полученное напряжение сравнивается с напряжением датчика 9 тока якоря, регулятор 6 -тока якоря формирует напряжение управления преобразователем 7, выходное напряжение которого, будучи приложенным к якорной цепи двигателя 8, вызывает отслеживание током .якоря (кривая 18,фиг.2) линейно нарастающего напряжения задания тока якоря .(регулятор тока якоря может иметь ПИ, ПИД или релейную структуру). Поскольку отклонение скорости от, установившегося значения и производная от скорости двигателя не равны нулю, то напряжение двухстороннего амплитудного детектора 13 не сбрасывается на нуль и он продолжает функционировать в режиме выборки,. пока .динамическое падение скорости двигателя

8 не достигнет максимального значения ос/„,(кривая 19, фиг, 2 1. Производная от скорости двигателя 8 становится равной, нулю, нуль-орган

16 выдает кратковременный пробный

1067581

6 сигнал логической "1" и сбрасывает напряжение двухстороннего амплитудного детектора 13 на нуль, которое сразу же восстанавливается до своего прежнего значения, как только на выходе нуль-органа 16 появляется сигнал логического "0". Двухсторонний амплитудный детектор 13 переходит в режим запоминания напряжения, пропорционального максимальному отклонению скорости Р Д . Ток якоря продолжает нарастать пока текущее отклонение ОЧ скорости от установившегося значения не станет меньше половины максимального отклонения скорости (момент времени kq,ôèã. 2) .

Как только ВЧ станет меньше 0,5, э нак напряжения на: выходе суммирующего усилителя 12 и усилителяограничителя 3 сменится на обратный и ток якоря начнет линейно спадать, скорость двигателя 8 монотонно устремится к установившемуся значению.

В момент равенства тока якоря статическому току (момент времени фиг. 2 ) производная от скорости дви гателя 8 станет равной нулю и происходит пробный сброс напряжения двухстороннего амплитудного детектора 13 на нуль. Если при этом выполняется равенство нулю отклонения скорости от установившегося значения, т.е. 6V =. О, то система прихо" дит в установившийся режим и ее функционирование становится аналогичным рассмотренному выше. Если в момент равенства нулю производной от скорости двигателя 8 имеет место ненулевое отклонение скорости от установившегося значения, то по сиг налу от нуль-органа 16 стирается из памяти двухстороннего амплитудного детектора 13 прежнее запомненное значение максимального отклонения и записывается новое, имеющее место в момент времени t . Напряжение на выходе второго сумьщрующего усилителя,12 имеет при этом такой же знак чтр и U так как коэффициент его передачи по первому входу в два ра- за больше, чем по:второму. Далее процесс ликвидации отклонения скорости от установившегося значения .аналогичен рассмотренному процессу перехода системы иэ состояния с максимальным отклонением скорости 8Ущ в состояние, содтветствующее момен ту времени 4q (фиг. 2). Поскольку параметры регуляторов не зависят от момента инерции привода, о при произвольном изменении момента инерции, например уменьшении, качество переходных процессов не становится хуже (алгоритм. работы регулятора скорости останется тем же, хотя динами-, ческий провал скорости, естественно, изменяется (становится больше при

S5 бВ 65

Если момент инерции привода изменился, например возрос, то отработка такого же по величине приращения сигнала задания скорости потребует формирование болЬшего динамического тока якоря и, естественно, увеличится время переходного процесса (кривые 23 тока якоря и 24 скорости двигателя, фиг. 3), одна-, ко переходный процесс по-прежнему будет оптимальным по бЫстродействию, поскольку параметры регулятора уменьшении момента инерции привода, если приложена такая же по величине статическая нагрузка на валу привода, кривая 20, фиг. 1 }.

Рассмотрим реакцию системы "в малом" на ступенчатое изменение сигнала задания скорости. Изменение сигнала задания скорости на величину

8V» вызывает появление сигнала ошибки на выходе первого суммирующего 0 усилителя 11.: 0 = К В\/ . Такое же напряжение появляется на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13

0 = Uq К 8V, которое, будучи максимальным в данном переходном процесf5 се, запоминается им. Напряжение на выходе второго суммирующего усилителя 12 и напряжение на выходе усилителя-ограничителя 3 имеет один.и тот же знак, следовательно, ток

2О якоря, отслеживая сигнал задания тока якоря, формируемый интегрируемым звеном, линейно нарастает до тех пор, пока текущее отклонение скорости от заданного значения не станет мень25 ше половины максимального отклона ния 8V в начале переходного процесса (кривые 21 тока якоря и 22 прира щенйя скорости двигателя) . Как только ВЧ станет меньше 0,5 g V+ (момент времени +», фиг. 3), напряжение на выходе второго суммирующего усили= теля 12 сменит знак, напряжение. задания тока якоря начнет уменьшаться, вызывая линейное уменьшение тока якоря и монотонное приближение скорости двигателя 8 к новому установившемуся значению. При равенстве нулю производной от скорости двигателя 8 (момент времени р, фиг.3) происходит .сброс иа нуль напряжения, запомненного ранее двухсторонним амплитудным детектором 13. Если текущее отклонение скорости при этом равно нулю, то система переходит в новый установившийся режим.

45 Если имеет место некоторое не равное нулю отклонение о j скорости от заданного значения, то оно запоминается двухсторонним амплитудным детектором 13 и происходйт отработ50 ка системой этого отклонения в соответствии с описанной выше процедурой .

106 7581

45 скорости не зависят от величины мо мента инерции привода.

При достаточно больших приращениях сигнала задания скорости (фиг. 4) линейно нарастающее напря- 5 жение на ныходе интегрирующего звена 4 достигает своего максимального значения и ограничивается элементами 5 ограничения (в простейшем случае днумя встречно включенными . 1О стабилитронами), ток якоря двигателя (кривая 25) также выходит на режим ограничения(момент времени -с», фиг. 1) . При отсутствии статической нагрузки на валу привода скорость двигателя линейно нарастает, пос15 кольку является интегралом от постоянного динамического тока якоря.

Напряжение на выходе первого суммирующего усилителя 11 изменяется пропорционально отклонению скорости от заданного значения, а на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 хранится напряжение, пропорциональное максимальному отклонению

6V скорости от заданного значения.

Выходное напряжение второго суммирующего усилителя 12 сменяет свой знак, когда отклонение скорости от заданного значения станет меньше половины максимального отклонения скорос- 30 ти (момент времени -Ег, фиг. 4).

При этом ток якоря начинает умень-= шаться и скорость двигателя стремится к некоторому установившемуся значению. Когда производная от скорос- 35 ти двигателя 8 станет равной нулю (момент времени 4, фиг.4) нуль-орган 16 .выдает сигнал логической "1" и через схему 14 ИЛИ сбрасывает на нуль напряжение двухстороннего ам- 4О плитудного детектора 13. На выходе второго суммирующего усилителя 12 снова появляется напряжение того же знака, что и Ug, ток якоря .и скорость двигателя 8 начинают нарастать, а на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 запоминается напряжение, пропорциональное отклонению скорости 6 Y+ н момент времени 1З фиг. 4). В дальнейшем процесс отработки отклонения скорос- 5О ти от заданного значения аналогичен рассмотренному выше и в некоторый момент времени, образуется новый установившийся режим. Очевидно, что переходный процесс отработки доста-. 55 точно больших приращений сигнала задания скорости не является оптимальным по быстродействию. Однако переходный процесс станет оптимальным по быстродействию, если ввести эле- 60 менты ограничения ныходного сигнала первого суммирующего усилителя 11 (на блок- схеме они не пок аз аны ), ограничив его напряжение на уровне, дропорциональном удноенному эначе- у нию отклонения Д Y скорости двигателя 8 от начального значения (фнг.4) в момент времени 1» . В этом случае максимальное значение запомненого сигнала на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 также ограничено на уровне Uqeax = Ugwu>

= К 289»". Выходное напряжение второго суммирующего усилителя 12 сменяет свой знак в момент времени фиг. 4), когда отклонение скорости от заданного значения становится меньше отклонения 8v+ скорости от начального значения. При этом ток якоря начинает линейно спадать, а скорость двигателя монотонно устремляется к новому установившемуся заданному значению (пунктирные линии, фиг. 4)

Величину относительного отклонения 3 » - скорости двигателя от наМФ чального значения можно подсчитать по формуле

3,""- . i de где Т = — инерционная постоянаЗм .иая времени привода (Дйр - приведенный к валу двигателя н момент инерции привода; сдн, Мн — номинальные значения скорости и электромагнитного момента двигателя1;

qua - относительное значение динамического тока якоря двигателя.

Поскольку при отсутствии статической нагрузки на валу привода динамический ток равен току якоря, то

1 можно записать с дн — 1, где Т

Ти постоянная интегрирования сигнала задания тока якоря. Тогда величина относительного отклонения определяется иэ выражейия 3Ч" Ф, .

2Т. Ти

Если ток -якоря двигателя ограничивать на уровне = 23, где Дн = 1номинальное относительное значение тока якоря, то с учетомвнзложенного будет справедливым соотношение

= 2. Принимая во внимание пос1

Т леднее выражение, получим

Поскольку расчетная величина отклонения 8у скорости от начального значения зависит от величины момента инерции привода, то очевидно, что при достаточно больших приращениях сигнала задания скорости н изменениях момента инерции привода система в общем случае не будет оптимальной по быстродействию.

Таким образом, предложенный способ астатического регулирования ско1067581

1О рости электропривода и устройства для его реализации позволяют получить оптимальные по быстродействию переходные процессы в системе в режиме стабилизации скорости двигателя, причем в широком диапазоне изменения момента инерции привода и изменения статической нагрузки на валу двигателя.. Способ является также оптимальным по быстродействию .при различных моментах инерции привода в режиме программного изменения сигнала задания скорости, если это э изменение не вызывает необходимость в ограничении величины. тока ° яко-. ря °

1067581

Составитель Ю.Воробьев

Техред,M.Гергель.. Корректор И. Муска

Редактор М.Дылын.Заказ

11225/56 Тираж 671 Подписное

ВННН0Н Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий

113035, Моеква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент",. г. Ужгород, ул. Проектная, 4