Электропривод постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к устройствам автоматического управления электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения, обеспечивающим оптимальное по быстродействию управ ление скоростью вращения путем изменения потока возбуждения,и.м.б. применено в системах управления общепромышленных электроприводов. Цель изобретения - повышение быстродействия путем устранения вибрации сигнала управления, повышение КПД электродвигателя и расширение функциональных возможностей. Электропривод содержит дополнительный функциональный преобразователь , позволяющий реализовать особую оптимальную траекторию в функции координат электропривода, и блок механической характеристики производственного механизма, позволякщий использовать различные ветви статической характеристики электродвигателя. 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,Я0, 1394385 (51) 4 Н 02 P 5/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4054793/24-07 (22) 11.04.86 (46) 07.05.88. Бюл. У 17 (71) Кировский политехнический институт (72) В.С.Хорошавин и Н.И.Присмотров (53) 621.316.718(088.8) (56) Шипилло В.П. Автоматизированный ,вентильный электропривод. М.: Энер-. гия, 1969, с. 379-381.

Авторское свидетельство СССР

Р 964938, кл. Н 02 P 5/06, 1982. (54) ЭЛККТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам автоматйческого управления электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения, обеспечивающим оптимальное по быстродействию управление скоростью вращения путем изме нения потока возбуждения, и.м.б. применено в системах управления общепромышленных электроприводов. Цель изобретения — повышение быстродействия .путем устранения вибрации сигнала управления, повышение КПД электродвигателя и расширение функциональных возможностей. Электропривод содержит дополнительный функциональный преобразователь, позволяющий реализовать особую оптимальную траекторию в функции координат электропривода, и блок механической характеристики производственного механизма, позволяющий использовать различные ветви статичес- @ кой характеристики электродвигателя, 2 ил.

1394385

Изобретение относится к электро-технике, в частности к устройствам автоматического управления электродвигателями постоянного тока незави5 симого возбуждения, обеспечивающим оптимальное по быстродействию управление скоростью вращения электродвигателя путем изменения потока возбуждения, и может быть применено в системах управления общепромышленных элект. роприводов.

Цель изобретения — повышение быстродействия путем устранения вибрации сигнала управления, повышение

КПД электродвигателя и расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 представлена структурная схема электропривода; на фиг ° 2 траектории координат электропривода.

Электропривод постоянного тока содержит электродвигатель 1, задающий блок 2, выход которого соединен с первым входом сумматора 3, второй вход которого соединен с выходом дат-25 чика 4 скорости вращения электродви,гателя 1, стационарный функциональный преобразователь 5, нелинейный элемент 6 с релейной характеристикой усилитель 7 мощности, выход которого 30 соединен с обмоткой возбуждения электродвигателя 1, датчик 8 тока возбуждения электродвигателя 1, перестраиваемый функциональный преобразователь 9, блок 10 расчета параметров апроксимации скорости, логичес кий блок 11 и коммутатор 12. Выход задающего блока 2 соединен с входом блока 10 расчета параметров апроксимации скорости, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами перестраиваемого функционального преобразователя 9, третьим входом соединенным с выходом сумматора 3, а четвертым входом — с выходом 45 датчика 8 тока возбуждения электродвигателя 1 и первым входом стационарного функционального преобразователя 5. Второй вход стационарного преобразователя 5 соединен с выходом датчика 4 скорости вращения электродвигателя 1. Выход стационарного функционального преобразователя 5 подключен к первому входу логического блока 11, второй вход которого

55 соединен с выходом перестраиваемого функционального преобразователя 9.

Выход логического блока 11 подключен к управляющему входу коммутатора 12.

Йх1 = + 2 а Р(х )+а„хнах 2+аы х,у

cIx 2 — — = а x+bU

21 l l где х, — угловая скорость электродвигателя; х — ток обмотки возбуждения;

U — напряжение на входе усилителя, р(х,) — приведенный момент сопротивления производственного механизма;

Ь, all, а у а llocTQHHHblp- коэффициенты, В соответствии с ограничением напряжения обмотки возбуждения на уп- равляющее воздействие U накладывается ограничение 1Б 1 (U . Множеством статических состояний электродвигателя

1 в координатах х„, х является экстремальная линия S ) которая описывает» ся уравнением р(х,) + а„х,х + а, х - = 0 (2) Кроме того, электропривод содержит функциональный преобразователь 13 и блок 14 механической характеристики производственного механизмй, вход которого соединен с выходом датчика

4 скорости вращения электродвигателя 1. Выход блока 14 механической характеристики производственного механизма подключен к первому входу функционального преобразователя 13, вторым входом подключенным к выходу датчика 8 тока возбуждения электро двигателя 1. Выход функционального преобразователя 13 соединен с первым информационным входом коммутатора

12, второй информационный вход которого подключен к выходу нелинейного элемента 6 с релейной характеристикой.

Вход нелинейного элемента 6 с релейной характеристикой подключен к выходу перестраиваемого функционального преобразователя 9. Выход коммутатора 12 соединен со входом усилителя

7 мощности.

Электропривод работает следующим образом.

Электродвигатель 1, управляемый по цепи возбуждения, с учетом коэффициента усилителя 7 мощности описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений з 139438 и показана на фиг. 2. В зависимости от механической характеристики производственного механизма р(х ) с це1 лью обеспечения статической устойчи5 вости используются различные ветви линии S. В случае момента сопротивления, не зависящего от скорости, линейно возрастающей механической характеристики и нелинейно спадающей механи-10 ческой характеристики рабочим участком линии S является ветвь, расположенная выше точки экстремума; в случае параболической механической характеристики в качестве рабочего 15 участка может использоваться ветвь линии $,,лежащая ниже точки экстре-. мума хэ

На фиг. 2 показаны фазовые траектории для реализации оптимального по 20 быстродействию управления электродвигателем 1, если используется ветвь линии S, лежащая выше точки экстремума х>. В зависимости от граничных условий х(0), х(Т), где х(0) = (х х,) — исходное состояние, х(Т) — (х, х ) — конечное состояние электродвигателя 1, принадлежащих линии S изменяется число интервалов оптимального по быстродействию уп- 30 равления.

В режиме разгона для получения больших угловых скоростей х „. х и траектория состоит из трех участков:

AB — участок движения при U = -U

ВС - участок движения при 101 6 U, CD — участок движения при U = +U q; в режиме разгона до меньших скоростей х, х „ траектория состоит из двух участков: АВ, — под управлением 40

Ц = -Ц„, B,D, — под управлением U

= +Uo, в режиме торможения для получения х сх, траектория всегда состоит иэ двух участков: DK — участок движения при U = +U, ЕА — участок 45 движения при U = -U .

Участок ВС лежит на линии оптимального движения $ (s) где С, С вЂ” коэффициенты аппроксимации фазовых траекторий, проходящих через конечные точки D и А при управлении

U = +U . Значения коэффициентов С, и

С зависят от величины заданной скорости х, Отклонения движения системы от рассматриваемых участков оптимальной траектории оцениваются функциями а

1, = х, + — — —;

2а„х

В электроприводе сигналы 1 о и 1, получают с помощью перестраиваемого и стационарного функциональных преобразователей 9 и 5 как результат обработки выходных сигналов датчиков

4 и 8 и сумматора 3. Причем перестраи ваемый функциональный преобразователь 9 настраивается автоматически в соответствии с текущими значениями параметров С, и С, вырабатываемыми блоком 10 расчета параметров.

Блок 10 также является функциональным преобразователем, который производит расчет параметров С,, Cz приближенной кривой, проходящей через конечную точку х, . Оптимальное управление U, вырабатывается функциональным преобразователем 13 в зависимости от сигналов датчика 8 и блока 14 механической характеристики производственного механизма, который также является функциональным преобразователем, определяющим значения fl(x ) по сигналам от датчи ка 4, Для реализации требуемых оптимальных по быстродействию последователь ностей управляющих воздействий О, зависящих от граничных условий х(0), 55 х(Т) и текущих значений координат х, и х, в устройстве формируется переменная структура управления по отклонению вида ал х (3)

2а „xz которая реализуется особым оптимальным управлением аi,а к +2а„х p(x,) -a a

U х (4) с

1t получаемого из совместного решения уравнений (1) и (3) или с применением

4 условий общности положения для нелинейных систем.

Конечные состояния х(Т) в зависимости от граничных условий лежат на линиях переключения CD и ЕА, которые описываются приближенным уравнением х = х, + С,х + С к, 1т

16 (x1 х ) С1хя СФх (6) 1394385

Uеслиi=О;

П если i =1, (7) где U>=U< signl — релейное управление, реализуемое нелинейным элементом 6;

U c — непрерывное особое управление (4),формируемое функциональным преобразователем 13; — выходной сигнал 15 логического блока

11, поступающий на вход (С) коммутатора 12.

Значения сигнала i и, следова- 20 тельно, структура управления (7) за- висит от координат электродвигателя

1 относительно линии оптимального движения S и траектории, проходящей через конечную точку х, . В случае расположения граничных условий на ветви линии S, лежащей выше точки экстремума х, логический блок 11. вырабатывает следующий алгоритм

1, если 1„(0 Л1 (О, О в остальных случаях. (8) Коммутатор 12 представляет собой управляемый контакт, осуществляющий переключение структуры управления (7), т.е. определяющий прохождение на вход усилителя 7 сигнала U р от нелинейного элемента 6 или сигнала U q 40 от функционального преобразователя

13 в зависимости от значения сигнала i логического блока 11.

Рассмотрим работу устройства в режиме разгона электродвигателя l при большом перепаде скоростей х„ и х„, соответствующих точкам А и

D статистической характеристики S (фиг. 2). При поступлении на вход блока 10 задающего воздеиствие х, 50 вырабатываются значения параметров

С и С и производится настройка пе рестраиваемого функционального преобразователя 9. Сигналы с датчиков

4 и 8 и сумматора 3 поступают на вхо- 55 ды перестраиваемого и стационарного функциональных преобразователей 9 и

5. Последние производят расчет текущих значений отклонений 1, (О и

1, ) О, подающихся на входы нелинейного элемента 6 и .логического блока 11. Блок 14 механической характеристики производственного механизма вырабатывает текущие значения момента сопротивления р (х,) по сигналам с датчика 4. Сигналы с датчика 8 и блока 14 поступают на входы функционального преобразователя 13, формирующего управление U . С входа нелинейного элемента 6 снимается релейное управление П р - U signl = -U

Управления U р = -U и U < подаются соответственно на входы (а) и (Ь) коммутатора 12. На выходе логического блока 11 формируется управляющий сигнал i = О, который поступает на вход (С) коммутатора 12, при этом к входу усилителя 7 подключается управление U = -U электродвигатель приходит в движение, соответствующее перемещению изображающей точки (х „х } по отрезку АВ (фиг. 2) . По мере разгона изображающая точка совпадает с точкой В, выполняются условия 1„= О и l o C О, на выходе логического блока 11 формируется сигнал

1, коммутатор 12 подключает к усилителю 7 непрерывное управление

П с функционального преобразователя 13, при котором изображающая точка (х„, х <) перемещается по оптимальной траектории ВС, В точке С выполняется условие 1 = О, логический блок 11 вырабатывает сигнал i = О, при этом коммутатор 12 производит подключение к входу усилителя 7 управления U = U с выхода нелинейного элемента 6, изображающая точка (х, х ) движется по отрезку СД до попадания в точку D где х, = х „,.

При разгоне до меньших значений угловой скорости, когда на первом интервале управления U = -U< траектории не входят в область 1, (О, или в режиме торможения электродвигателя 1 устройство работает под воздействием только релейного управления

Uр = U,signl В случае задания граничных условий х (О) и х (Т) на ветви статической характеристики S, лежащей ниже точки экстремума х, работа устройства протекает аналогично с учетом топологии траекторий, определяемой отклонениями 1 о и 1,. При этом в устройстве не возникает нежелательного режима скользящего движе"

7 139438 ния между линией S, и траекторией, проходящей через конечную точку х, .

Изобретение позволяет уменьшить длительность переходных процессов в электроприводах производственных механизмов с произвольной механической характеристикой и исключить вибрации управления и выходных координат, расширить область применения элект- щ роприводов с частым ступенчатым регулированием угловой скорости электродвигателя по цепи возбуждения. Например, использование предлагаемого устройства для управления электропри-15 водом главного движения металлорежущего станка позволяет увеличить его производительность и надежность.

Формула изобретения

Электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, задающий блок, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход 25 которого соединен с выходом датчика скорости вращения электродвигателя, . стационарный функциональный преобразователь, реализующий зависимость

30 а 11

11 х1+

2а„х нелинейный элемент с релейной характеристикой, усилитель мощности, выход которого соединен с обмоткой возбуж35 дения электродвигателя, датчик тока возбуждения электродвигателя, перестраиваемый функциональный преобразователь, реализующий зависимость

1О = (х„-х, )-с,сх -c õ2, блок расчета параметров апроксимации скорости, логический блок, реализующий закон управления — 1, если (1„4 О) Л (1 с О);

= О в остальных случаях, коммутатор, выход задающего блока соединен с входом блока расчета параметров апроксимации скорости, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами перестраиваемого функционального преобразователя, третьим входом соединенного с выходом сумматора, а четвертым входом— с выходом датчика тока возбуждения электродвигателя и первым входом стаа„а х,+2а х ч(х,)-ас а х ос а Ь п блок механической характеристики производственного механизма, вход которого соединен с выходом датчика скорости вращения электродвигателя, выход подключен к первому входу функционального преобразователя, вторым входом подключенным к выходу датчика тока возбуждения электродвигателя, выход функционального преобразователя соединен с первым информационным входом коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу нелинейного элемента с релейной характеристикой, вход которого подключен к выходу перестраиваемого функционального преобразователя, выход коммутатора соединен с входом усилителя мощности, при этом

1 — выходной сигнал стационар1 ного функционального преобразователя; угловая скорость двигателя, ток возбуждения; х

1 х а Q a а,Ь постоянные коэффициенты, зависящие от конкретного типа двигателя; выходной сигнал перестраиваемого функционального преобразователя; конечное значение скорости электродвигателя; коэффициенты аппроксимации фазовой траектории, проходящей через конечную точку; выходной сигнал функционального преобразователя;

lle1Ct

Цос ционарного функционального преобразователя, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости вращения электродвигателя, выход стационарного преобразователя подключен к первому входу логического блока, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого функционального преобразователя, выход логического блока подключен к управляющему входу коммутатора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия путем устранения вибрации сигнала управления, повышения КПД электродвигателя и расширения функциональных возможностей, в него введены функциональный преобразователь, реализующий зависимость

1394385

10 выходной сигнал логического блока. (х„) — механическая характеристика производственного механизма;

Составитель Т,Рожкова

Редактор С.Патрушева Техред М.Моргентал Корректор Г. Решетник

Заказ 2235/54 Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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