Следящий привод

 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в следящих системах, где в качестве исполнительного элемента используется двигатель .постоянного тока либо трехфазный асинхронный двигатель. Цель изобретения - увеличение ресурса работы привода и снижение потребляемой мощности. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введена цепь коррекции, учитывающая инерционность нарастания скорости исполнительного механизма, что позволяет уменьшить частоту включения двиi гателя и снизить ;потребление энергии , 6 ил. (Л с

СО)ОЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (5)) 4 G 05 В 11/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITHA (21) 3919763/24-24 (22) 24.05.85 (46) 15.11.86. Бюл. N 42 (72) Б.И. Кедров, В.П. Николаев, Л.В. Семенцов, Ю.И. Семушкин, Л.В. Соколов, С.Л. Соколов и Б.И.Шмаков (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1007082, кл. G 05 В 11/14, 25.08.80.

Авторское свидетельство СССР

В 311248, кл. G 05 В 11/14, 02.12.69. (54) СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД (57) Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в следящих системах, где в качестве исполнительного элемента используется двигатель .постоянного тока либо трехфазный асинхронный двигатель. Цель изобретения — увеличение ресурса работы привода и снижение потребляемой мощности. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введена цепь коррекции, учитывающая инерционность нарастания скорости исполнительного механизма, что позволяет уменьшить частоту включения двигателя и снизить:потребление знер гии. 6 ил.

1270745 п.4

1

Q и„, л,, в

Направление вращения ротора двигателя

0

1

Против часовой

О

1

1

По часовой стрелке .стрелки

Изобретение относится к автоматике и может быть использована в сле дящих системах, где в качестве исполнительного элемента используется двигатель постоянного тока либо трехфазный асинхронный двигатель.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы привода и снижение потребляемой мощности.

На фиг. 1 показана блок-схема следящего привода с исполнительным двигателем постоянного тока паследовательнога возбуждения; на фиг;, 2 схема усилителя для трехфазного асинхронного двигателя; на фиг. 3 — статические характеристики порого-вых элементов с петлей гистереэиса (с последовательно включенными диодами)„ на фиг.4а, и 4б - временные диаграммы отработки следящей системой соответственно монотонно возрастающего и монотонно убывающего воздействия (с учетом отработки начального рассогласования); на фиг,. 5а и 5б — временные диаграммы отработки следящей -системой управляющего воздействия при переходе ега ат возрастания к убыванию и наоборот:; на фиг. 6 — временные диаграммы, иллюстрирующие число включений электродвигателя и потребляемый ток в предлагаемом следящем приводе IIo сравнению с прототипом.

Следящий привод (фиг.i) соцержит эадатчик 1 и датчик 2 обратной связи, которые могут быть выполненЫ в виде потенциаметров, сумматор 3, выполненный на резисторах 4, 5 и б, первый 7 и второй 8 пороговые элементы, выполненные на операционных усилителя 9 и 10 и резисторах 11—

16, первый 17 и второй 18 выпрямители, первый 19 и второй 20 инверторы, первый 21 и второй 22 элементы

И, усилитель 23, выполненный на транзисторах 24-27, резисторах 28-31 и диодах 32 и 33, двигатель 34 постоянного тока с обмотками возбуждения

ЗО

35, 36 и якорем 37, редуктор 38 и объект управления 39.

На фиг. 2 приведена схема усилителя 23, предназначенного для использования с трехфазным асинхронным двигателем 34, содержащего 4 одинаковых ключевых элемента 40-43, каждый из которых, например, может быть выполнен на оптране 44, диодном выпрямительном мосте 45, семисторе 46 и резисторе 41.

Потенциометр 1 служит для введе" ния задающего воздействия (требуемого углового перемещения). Потенциометр 2, жестко связанный с объектам управления 39, является преобразователем угла поворота в напряжение постоянного тока. Напряжение с потенциометров 1 и 2 поступает на входы сумматора 3,, выполненного на резис" торах 4, 5 и 6, на выходе которого вырабатывается разность 0>, которая пропорциональна угловому рассогласованию между задающей и исполнительной осями. Напряжение U поступает на входы пороговых устройств 7 и 8 с петлей гистерезиса, которые выполнены на операционных усилителях 9 и

10. Пороги срабатывания определяются для них соотношением сопротивле«ий резисторов 12 и 13, 15 и 16.

Для подачи на входы логических элементов талько положительных уровней напряжения служат выпрямительные элементы 17 и IB.

Статические характеристики пороговых элементов 7 и 8 (вместе с выпрямительными элементами 17 и 18) приведены на фиг ° 3. Входные напряжения 1„ и "„ логических элемен < тов (инверторы 1 9 и 20 и элементы типа И 21 и 22), соединенных по схеме фиг. 1, и выходные напряжения д

4 и 0„ могут принимать значения логического нуля и логической единицы, взаимное соответствие которых при::-«едено в таблице (вместе с указанием требуемого, направления вращения ротора двигателя).

1270745 моток двигателя.

При поступлении, сигнала Uq 1 открываются транзисторы 24 и 26 и по обмотке возбуждения 35 и якорю 37 двигателя 34 протекает ток, приводящий его во вращение по часовой стрелке. При появлении сигнала Ол =1 открываются транзисторы 25 и 27 и по обмотке возбуждения 36 и якорю 37 25 двигателя протекает ток,приводящий его во вращение против часовой стрелки.

В следящем приводе может быть применен другой тип двигателя — трех- ЗО фазный асинхронный, при этом все элементы схемы фиг. 1 остаются беэ изменения, кроме усилителя 23. УсиЛитель для этого типа двигателя может быть реализован по схеме, приведенной на фиг. 2. Он содержит 4 одинаковых ключевых элемента 40-43.

Как известно, для изменения направления вращения трехфазного асинхронного двигателя достаточно поменять местами две фазы сети, подходящие к любым двум выводам трехфаэной обмотки двигателя. В данной схеме при открывании ключевых элементов 4 1 и

42 вращение ротора двигателя проис- 45 ходит по часовой стрелке, при открывании ключевых элементов 40 и 43— против часовой стрелки.

Ключевой элемент работает следующим образом.

При протекании тока по входной цепи оптрона 44 сопротивление динистора, находящегося в его выходной цепи и шунтирующего диагональ диодного выпрямительного моста 45, у становится минимальным, и выпрямленное напряжение фазы через ограничительный резистор 47 поступает

Сигналы У, и 0 с выходов IlppBol o

"л "й и второго элементов И 21 и 22 поступают на входы усилителя 23, в котором в качестве первого каскада использованы эмиттерные повторители, выполненные на транзисторах 24, 25 и резисторах 28-31. Силовой каскад усилителя выполнен на транзисторах

26, 2? и диодах 32, 33, шунтирующих обмотки двигателя 34, вал которого 1О через редуктор 38 соединен с объектом управления 39 и движком датчика

2 обратной связи. Диоды 32 и 33 защищают транзисторы 26 и 27 от перенапряжений, возникающих при их закры- <5 вании иэ-за наличия индуктивности обна управляюший электрод симистора

46. Открывание симистора 46 будет происходить в начале каждого пблупериода напряжения фазы. При прекращении тока через входную цепь оптрона 44 динистор оптрона и симистор

46 остаются открытыми до момента, пока очередная полуволна переменного напряжения не уменьшится до нуля, после чего происходит закрывание симистора.

Следящий привод работает следующим образом.

Процесс слежения начинается с отработки начального рассогласования, которое может находиться во всей области допустимых значений Llg .

Условно эту область можно разбить на три участка:

1. U <+ЬН, 2.++aU„ O +в0 3. U ), Ил

В первом случае (см.фиг.3 и п.3 таблицы) ротор двигателя, вращаясь по часовой стрелке, будет перемещать исполнительную ось, пока Ï не достигнет величины +aU, где произойдет отключение двигателя (п.2 таблицы) .

Во втором случае (фиг.3 и п.2 таблицы) двигатель неподвижен.

В третьем случае (фиг.3 и п.4 таблицы) ротор двигателя, вращаясь против часовой стрелки, перемещает исполнительную ось, пока A не достигнет величины -в0„, где происходит отключение двигателя (см.фиг.3 и п.1 таблицы).

Таким образом, вне зависимости от величины и знака начального рассогласования система отработает его до величины ++10„.

Дальнейший процесс слежения происходит -следующим образом.

Рассмотрим случай, когда управляющее воздействие U монотонно возрастающее. Как было показано, после отработки некоторого начального рассогласования, в зависимости от его знака, выключение двигателя произойдет при достижении 0„ величины - Ц, (точка 1 фиг. 4а) либо величины +ь л (точка 1 фиг. 4è). Ротор двигателя и исполнительная Ocb будут неподвижны до тех пор, пока д не достигнет величины +ьОл (точка 2 фиг. 4а) либо

+ ь0 (точка 2 фиг. 4а). Здесь прои-,,зойдет включение двигателя (см.фиг.3

1270 745 и п.4 таблицы) и ротор двигателя„ вращаясь против часовой стрелки перемещает исполнительную ось, пока "А не достигнет величины — ь0, (точки 3 и 3 фиг. 4о), где двигатель отключается (см.фиг.3 и п.1 таблицы) и исполнительная ось остается неподвижной пока О снова не достигнет велиA ! чины +ь0„ (точки 4 и 4 фиг. 4 ). Далее процесс будет аналогичным". включение двигателя будет осуществляться при 0*=-d",, а отключение при Ï юЦ, Исключение составляет точка 2 фиг.4, где Од достигает значения aU что приводит к изменению направления вра- 15 щения ротора (после отработки начального рассогласования) при его последующих включениях.

Рассмотрим случай, когда управляющее воздействие монотонно убывающее.

В зависимости от знака начального рассогласования после его отработки выключение двигателя произойдет при достижении И, величины +ь0, (точка 1 фиг.4Х) либо величины -ь0, (точка 1 фиг. 4Б). Ротор двигателя будет неподвижен, пока 0, не достигнет величины -вЦ,(точка 2 фиг.4Е) либо-лМ(точка 2 фиг.48). Здесь произойдет включение двигателя (см.фиг.3 и п,3 таблицы) и ротор, вращаясь по часовой стрелке, перемещает исполнительную ось, пока 1 не достигнет величины ь 1„(точки 3 и 3 фиг.4Б), где двигатель отключается (см.фиг.3 и п„1 таб- 35 лицы) и исполнительная ось остается неподвижной, пока 1д не достигает сно" ва величины -ь0„(точки 4 и 4 фиг,.4Б).

Далее процесс будет аналогичен:: включение двигателя происходит при Од- О

=-ьо„, а отключение при 0 ь0, °

Исключение составляет точка 2 где О достигает величины -и И, что привоцит к изменению направления вращения ротора (после отработки началь- <5 ного рассогласования) при его последующих включениях.

При переходе управляющего воздействия от участка монотонного возрас-тания к монотонному убыванию (фиг.5а) % работа следящего привода происходит следующим образом. Пусть точка i ua фиг. 5ь последняя на участке монотонного возрастания Ь „, где произошло отключение двигателя (см.фиг.3 55 и п.1 таблицы). Управляющее воздейст.вие, достигнув своего максимального значения в точке 2 (фиг. 5а ), начинает монотонно убывать. Исполнительная ось будет неподвижной, пока 0 не достигнет величины - ьИ (точка 3 фиг. 5a ), где произойдет включение двигателя и вращение ротора будет происходить по часовой стрелке (см. фиг. 3 и п.3 таблицы). В дальнейшем отработка будет происходит аналогично отработке на участке монотонного убывания.

При переходе управляющего воздействия от участка монотонного убывания к монотонному возрастанию (фиг.5Б) отработка его происходит следующим образом. Пусть точка 1 на фиг. 5 Б последняя на участке монотонного убывания, где произойдет отключение двигателя (см.фиг.3 и п.2 таблицы). Управляющее воздействие достигает своего минимума в точке 2 (фиг. 5E) и затем начинает монотонно возрастать. Исполнительная ось будет неподвижной, пока 0, не достигнет величины + ьй, где произойдет включение двигателя с вращением ротора против часовой стрелки (см.фиг.3 и п.4 таблицы). В дальнейшем отработка управляющего воздействия будет происходить аналогично отработке на участке монотонного возрастания.

Таким образом, рассматриваемый следящий привод при соответствующих энергетических возможностях способен отработать любой тип изменяющегося управляющего воздействия с максимальной ошибкой - лО.

Кроме того,при одинаковости точностных характеристик предлагаемого следящего привода и прототипа предложенная схема и алгоритм ее работы обеспечивают при прочих равных условиях минимум потребления тока, а также минимальное число включений двигателя в единицу времени, что повьппает ресурс работы двигателя и в. его привода в целом по сравнению с прототипом. Так, при изменяющемся управляющем воздействии н, двигатель включается в момент превьппения величины рассогласования заданного порога. Очевидно, что в течение времени ь Т, вследствие инерционности системы нарастание скорости исполнительной оси до некоторого номинального значения будет происходить с запаздыванием. Поэтому в течение времени ь Т, величина 0, будет превьппать значение порога, где произошло вклю7 1270745 8 а в предлагаемой схеме

f2 вТ + dT +dT +dT

4 2 АЬ 0

ГДЕ 41, — время, в течение которого величина рассогласования изменяется от >dU

1 до — в О„; — время, в течение которого исполнительная ось

35 неподнижна, а величина рассогласования изменя- 40 ется от -a0, до + ьИ вследствие изменения управляющего воздействия.

В предлагаемой схеме величина dU

4 определяется из условия 45

dn- 6И = ЬИ„ где ЮИ вЂ” наибольшая иэ величин 80 Н 8ИТ .

Как правило, в реальных системах РИ 50 значительно меньше величины 40 следовательно, дт, дТ сс 1 ° aÒ и

2 Pd. о поэтому j„)> f

На фиг. 6 приведены временные диаграммы потребления тока днига- 55 теля в схеме прототипа „ и в рассматриваемой схеме 3, соответствующие отработке системами управляючение двигателя, на величину 8 Ll (фиг. 6). Аналогично при выключении двигателя вследствие инерционности изменение скорости исполнительной оси до нуля будет происходить с 5 запаздыванием. Поэтому в течение некоторого времени аТ> величина рассогласования будет меньше величины порога, при котором произошло отключение двигателя, на величину JIB

1О (фиг.6). Очевидно, что значения EUp и 10, для прототипа и рассматриваемого привода при прочих равных условиях будут одинаковы. Отличие состо4т в том, что включение двигателя в схеме прототипа происходит при превышении величины рассогласования порога 41А, а н предлагаемой схеме— порога + bU,, а отключение двигателя в схеме прототипа происходит при достижении величины рассогласования того же порога ь И, а в предлагаемой схеме величины — ьИ, (фиг.6). Таким образом, частота включения двигателя в схеме прототипа составляет 25

f =

1 Т iaT

1 и щего воздействия. Из них видно, что н течение времени а Т2, когда якорь двигателя в схеме прототипа неподвижен, через двигатель все же протекает ток, так как силовые тиристоры попеременно открываются и закрываются.

Среднее значение тока на этом участке диаграммы определяется периодом импульсов, поступающих.с генератора, а также соотношением активных и индуктивных сопротивлений обмоток двигателя. Таким образом, потребление тока происходит в течение всего времени работы системы.

Из диаграммы для тока 7 в предлаP гаемой схеме (фиг. 6) видно, что в течение времени ТО+вТ, когда исполнительная ось неподвижна, двигатель не потребляет тока. Следовательно, при Х ))1 средний ток, потребляемый

1 двигателем от одного включения до другого, будет меньше, чем средний ток, потребляемый за тот же период в схеме прототипа.

Проведенные испытания макетных образцов показали, что в зависимости от скорости изменения управляющего воздействия и величины устанавливаемого порога срабатывания +ду среднее значение потребляемого тока уменьшается на 25-5Cl, а частота включения исполнительного двигателя уменьшается в 2-3 раза по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Следящий привод, содержащий электродвигатель, сумматор, редуктор, усилитель, иннертор, задатчик и датчик обратной связи, подключенные соответственно -к первому и второму входам сумматора, первый и второй выходы усилителя соединены соответственно с первым и вторым выводами обмотки возбуждения электродвигателя, якорь которого подключен к положительному выводу источника питания и первому входу усилителя, соединенного вторым входом с отрицательным выводом источника питания, вал электродвигателя кинематически соединен через редуктор с движком датчика обратной связи и объектом управления, о т л ичающий с я тем, что, с целью увеличения ресурса работы привода и

12 снижения потребляемой мощности, в него введены последовательно соединенные пороговый элемент, выпрямитель, элемент И и последовательно соединенные второй пороговый элемент, второй выпрямитель, второй инвертор, второй элемент И, причем вход первого порогового элемента подключен к входу второго .порогового элемента и

70745 о выходу сумматора, выход первого выпрямителя соединен через первый инвертор с вторым входом второго элемента И, выход второго выпрямителя подключен к второму входу первого элемента И, выходы первого и второго элемента И соединены соответственно с третьим и четвертым входами усили:теля.! 270745

1270745

Составитель Г, Нефедова

Техред В.Кадар Корректор О. Луговая

Редактор N, Бандура

Заказ 6242/50 Тираж 836 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4