Система позиционирования с двухзонным регулированием скорости электропривода

 

Изобретение относится к технике автоматического управления и регулирования, а именно к системам позиционирования. Цель изобретения - повышение экономичности при расширении области применения . Система позиционирования обеспечивает отработку заданного перемещения рабочего органа механизма в течение заданного времени. При этом скорость электропривода изменяется по симметричному трапецеидальному графику путем двухзонного управления двигателем постоянного тока. В первой зоне регулирование скорости осуществляется за счет изменения напряжения , подводимого к якорю двигателя, во второй зоне - за счет изменения магнитного потока двигателя. Отработка перемещений осуществляется с минимизацией суммарных (в обеих зонах) тепловых потерь в якорной цепи двигателя . Это достигается за счет дополнительного , в сравнении с прототипом, введения в систему блоков вычисления ускорения, скорости и пути, а также цифрового компа- patdpa, коммутатора кодов, задатчика константы и блока умножения, с помощью которых вычисляется оптимальное Значение ускорения при разгоне (торможении) и формирование требуемого графика скорости электропривода. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 G 05 В 19/ t8

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4928108/24 (22) 01.03.91 (46) 28,02.93. Бюл. М 8 (71) Украинский государственный проектный и проектно-конструкторский институт ."Тяжпромэлектропроект" (72) И,Д.Розов и В.И.Холодный (56) Авторское свидетельство СССР

М 447684, кл. G 05 В 11/26, 1974, Авторское свидетельство СССР

М 1198460, кл. G 05 В 19/18, 1 984. (54) СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С

ДВУХЗОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА (57) Изобретение относится к технике автоматического управления и регулирования, а именно к системам позиционирования.

Цель изобретения — повышение экономичности при расширении области применения. Система позиционирования обеспечивает отработку заданного перемещения рабочего органа механизма в течение заданИзобретение относится к технике автоматического управления и регулирования электропривода постоянного тока и предназначено для точной обработки рабочим органом механизма заданного перемещения в течение заданного времени с минимальными потерями энергии в якорной цепи электродвигателя, Целью системы является повышение экономичности при расширении области применения..!Ы 1798765 А1 ного времени. При этом скорость электропривода изменяется по симметричному трапецеидальному графику путем двухзонного управления двигателем постоянного тока. В первой зоне регулирование скорости осуществляется за счет изменения напряжения, подводимого к якорю двигателя, во второй зоне — за счет изменения магнитного потока двигателя. Отработка перемещений осуществляется с минимизацией суммарных (в обеих зонах) . тепловых потерь в якорной цепи двигателя. Это достигается за счет дополнительного, в сравнении с прототипом, введения в систему блоков вычисления ускорения, . скорости и пути, а также цифрового компа. ратора, коммутатора кодов, задатчика константы и блока умножения, с помощью которых вычисляется Оптимальное Значеwe ускорения при разгоне (торможении) и формирование требуемого графика скорости электропривода. 5 ил.

На фиг.1 приведена функциональная схема системы; на фиг.2- тахограмма привода при отработке различных перемещений за данное время перемещения; на фиг,3,4,5- примеры выполнения блоков, вычисления пути, скорости и ускорения.

Система содержит блок 1 задания перемещения, сумматор 2, первый счетчик 3 импульсов. преобразователь 4 код — частота, блок 5 ограничения частоты, формирователь

6 импульсов, интегратор 7, цифроаналоговый преобразователь 8, блок 9 регулирова1798765 (-и а

\р (!и tp (4) (5) V a 2 " а

VA Чн (6) 3 ния напряжения якоря двигателя, двигатель

10, блок 11 регулирования тока возбуждения двигателя, датчик 12 перемещения, блок 13 задания времени перемещения, генератор 14 эталонной частоты, ключ 15, второй и третий счетчики 16,17 импульсов, блок

18 сравнения кодов, преобразователь 19 частоты, блок 20 вычисления скорости, блок 21 вычислейия ускорения, блок 22 вычисления пути, цифровой компаратор 23, коммутатор

24 кодов,. задатчик 25 койстанты и блок 26 умножения, Функциональная схема блока 20 вычисления скорости приведена на фиг.4. БлоК содержит масштабнйй элемент 27 и делитель 28.

Функциональная схема блока вычисления пути 22 приведена на фиг,3. Блок содержит умножители 29,30,31, делители 32,33сумматоры 34,35, масштабные элементы

36,37 и элемент 38 квадратно о корня. На выходе сумматора 34 формируется величина подкоренного выраженйя в соотношении (4). На выходе сумматора 35 формируется величина, заключенная в скобки в соотношении (4), а на выходе умножителя 31 формируется величина пути разгона (торможения) в соответствии с соотношени. ем(4).

Функциональная схема блока вычйсления ускорения 21 приведена на фиг.5. Блок содержит умножители 39...59, масштабные элементы 60,.65, сумматора 66,67, компараторы 68,69, одновибратор 70, генератор 71 импульсов; ключ 72; счетчик импульсов 73 и триггер 74.

Система представляет собой многоконтурную систему автоматического регулирования и включает в себя: аналоговый контур регулирования. скорости, содержащий блоки 9,11 и двигатель 10; цифровой контур регулирования скороСти, содержащий замкнутый аналоговый контур регулирования скорости, цифровой регулятор скорости, выполненнйй с помощью интегратора 7 и цифроаналогового преобразователя 8, а также датчик 12 перемещения и формирователь 6 импульсов; цифровой контур положения, содержащий замкнутый цифровой. контур регулирования скорости, регулятор положения, выполненный с:помощью сумматора 2, преобразователя 4 код-частоты и блока 5 ограничения частоты, а также первый счетчик 3 импульсов; контур задания скорости, содержащий блоки 14-26, Коды заданного перемещения и заданного времени перемещения формируются с помощью блоков 1 и

13 соответственно.

Снижение тепловых потерь в якорной цепи двигателя обусловлено следующим.

При отработке заданного перемещения путем изменения скорости механизма по любой симметричной трапецеидальной тахограмме имеет место соотношение;

L(t = 3tp + атр(тп — 2tp), 2 где L(t — заданная величина перемещения, t(— заданное время перемещения, а — ускорение при разгоне (торможении), tp — время разгона (торможения), Из соотношения (1) величина ускорения определяется выражением

15. из которого можно найти величину времени

20 разгона до максимальной скорости ь

tp = -р- (1 1 2 ) (3)

tй д и величину пути разгона до максимальной

25 скорости

При двухзонном регулировании скорости ток двигателя. "в первой зоне разгоj5 не до номинальной скорости определяется выражением

40 где k — коэффициент пропорциональности.

Ток двигателя во второй зоне при разгоне от номинальной до максимальной UM ñêoрости определяется выражением

45 где V - а — текущее значение скорости, 50 t — текущее значение времени, Потери энергии в якорной цепи двигателя

0 = 2r,(ri t, J 1г dr) (7).

tH где tH — время разгона привода до номинальной скорости.

Подставляя в (7) значение тока в соответствии с (5) и (6) и значение времени разгона в соответствии с (3), получим

1798765 (8) 4 2 .п з+лУЗ 1 а

Функция Q имеет экстремум по а и для определения оптимального значения ускорения, минимизирующего величину тепловых потерь, необходимо взять производную от выражения (8) и приравнять ее нулю

-161 пЧн = 0

Оптимальное значение ускорения определяется из уравнения (9) также при отработке перемещений с максймальной скоростью, не превышающей значение VH. При этом в уравнении (9) вместо величины VH следует подставить значение максимальной скорости, вычисленное по известной формуле, приведенной в описании прототипа

1,5 LA

Чм тп (10) Справедливость этого утверждения можно легко проверить, подставив в уравнение (9) значение оптимального ускорения электропривода, работающего без ослабления поля, которое определяется по известной формуле, приведенной также в описании прототипа а= и

1п

Система работает следующим образом.

В исходном состоянии нэ выходе блока 1 задания перемещения код заданного перемещения равен нулю, Первый счетчик 3 импульсов и интегратор 7 находятся в нулевом состоянии, сигнал задания скорости нэ выходе цифроаналогового преобразователя 8 равен нулю и двигатель 10 электропривода находится в состоянии покоя. Блоком 11 регулирования тока возбуждения двигателя в обмотке возбуждения поддерживается ток, соответствующий номинальному потоку.

Введенный в блок 1 задания перемещения код 1..л заданного перемещения подается на первый вход сумматора 2. На выходе

1р г

0 =2гя(1 Сн+ f 12 dt) 2

2 2 ГяК

1н Чй (8aа з1п oç Р t ß

4Ь (21пзЧ + Qз) а — 253 н (21н

Ч, + Ln 1 à +72tn Ln Чн а +41п Чн .а— з з з 2 32 2 6. сумматора возникает код рассогласования

hL, который подается на вход преобразователя 4 код — частота, имеющего линейную характеристику. Нэ выходе преобразователя

5 возникают импульсы, следующие с частотой

4я, вепичина которой пропорциональна коду рассогласования Ж . Эти импульсы поступают на первый вход блока 5 ограничения частоты, на выходе которого возникают

10 импульсы, следующие с частотой fz равной

I частоте fg импульсов, поступающих íà его второй вход с выхода блока 19 преобразователя частоты. Вырабатываемые блоком 5 импульсы суммируются в интеграторе 7, вы15 ходной код N которого преобразуется цифроаналоговым преобразователем 8 в напряжение Оз задания скорости. Это напряжение подается на вход блока 9 регулирования напряжения якоря двигателя, При

20 этом двигатель начинает разгоняться, датчик 12 перемещения начинает выдавать импульсы, частоты fg следования которых пропорциональна скорости вращения двигателя, Эти импульсы через формирователь

25 б подаются на второй вход интегратора 7 и являются сигналом обратной связи в цифровом контуре регулирования скорости. С выхода формирователя 6 импульсы подаются также на вход первого счетчика 3 импуль. 30 сов.осуществляющагоихсуммирование, На вь1ходе счетчика 3 код Ly представляет собой фактическое положение рабочего органа механизма и является сигналом обратной связи в контуре регулирования по35 ложения, В процессе отработки заданного перемещения разгон и. торможение электропривода осуществляются в соответствии с величиной сигнала тз заданной скорости, отрабатываемого цифровым контуром регу40 лирования скорости, при этом количество импульсов частоты fa соответствует заданной величине перемещения. В случае превышения скоростью двигателя номинального значения блоком 11 осуществляется

45 снижение тока возбуждения с тем, чтобы обеспечить постоянство ЭДС во второй зоне регулирования.

В конце цикла отработки заданного перемещения при 1з = 0 контроль отработки

50 осуществляется цифровым контуром положения. При наличии ошибки в позиционировании (например, из-за инерционности контура регулирования Скорости или из-за наличия статической нагрузки) на вход ин55 тегратора 7 через блок 5 поступают импульсы f< . Код на входе интегратора, а

1 следовательно, и сигнал Уз на выходе цифроаналогового преобразователя 8 изменяется таким образом, чтобы устранить

1798765

10

30

55 ется таким образом. чтобы устранить рассогласование. При достижении величиной

Еф значения Ь рассогласование Ж становится равным нулю и электропривод останавливается в заданном положении, Реализацию оптимальной соответствующей минимуму тепловых потерь в электроприводе трапецеидальной тахограммы обеспечивает контур задания скорости, который работает следующим образом, В исходном состоянии второй и третий счетчики

16,17 находятся в нулевом состоянии, коды заданного перемещения и заданного времени перемещения Ln u tn равны нулю, сиг- нал на выходе преобразователя 19 частоты равен нулю, ключ 15 закрыт. Введенные в блок 1 задания. перемещения и в блок 13 задания времени перемещения кода L„ и t„ подаются в контур задания скорости, При этом блоком 20 вычисляется максимальное значение скорости в соответствии с выражением (10), С выхода блока 20 код V подается на первые входы. коммутатора 24 кодов и цифрового компаратора 23, сравнивающего этот код с кодом номинального значения скорости Vg поступающего на второй вход компаратора с выхода задатчика 25 константы. В случае, если код V< превышает значение кода VH, на выходе компаратора 23 возникает сигнал, разрешающий прохождение кода VH через коммутатора 24 кодов на третий вход блока 21 вычисления ускорения. На первый и второй входы блока 21 подаются коды L и t заданных величин перемещения и времени перемещения. При 35 поступлении на вход блока 21 кода Ln u заданного перемещения на выходе компаратора 69 возникает "единичный" сигнал, в результате чего на выходе одновибратора

70 формируется импульс, устанавливающий счетчик 73 в нулевое состояние, а триггер 74 в "единичное". В результате этого на выходе счетчика 74, который является и выходом блока 21, код величины ускорения а равен нулю, а на выходе сумматора 67 код равен величине последнего члена части уравнения (9). т.е, — 16LnV„. При этом на выходе компаратора 68 сигнал имеет "нулевое".значение. "Единичный" сигнал. триггера 74 открывает ключ 72, через который на вход счетчика 73 с выхода генератора 7.1 начинают поступать импульсы, На выходе счетчика

73 код начнет 803растать,:в результате чего на выходах умножителей 43,45,50,55 будут формироваться коды. равные соответствен.— но первому, второму, третьему и четвертому членам левой части уравнения (9). Эти коды подаются с соответствующими знаками на входы сумматора 67 и в момент времени, когда их алгебраическая сумма будет равна выходе блока 21 формируется код ускорения а, соответствующий минимуму тепловых потерь в электроприводе, Код а, а также коды 1 и и tn подаются на входы блока 22, который производит вычисление кода Lp величины пути разгона (торможения) в соответствии с выражением (4), Код Lp подается на третий вход блока 18 сравнения кодов, на второй вход которого подается код Ьт текущего значения заданного перемещения с выхода третьего счетчика импульсов 17. При (р> (Зт на первом выходе блока 1 возникает сигнал, открывающий ключ 15, а на втором выходе — сигнал, соответствующий работе второго счетчика 16 в режиме сложения импульсов. С выхода генератора 14 эталонной частоты импульсы с частотой fo поступают на вход счетчика 16, выходной код которого начинает увеличиваться в соответствии с выражением; (12) Nt= f0 t

Этот код, а также код а ускорения подаются на входы блока 26 умножения, на выходе которого формируется код произведения указанных величин в соответствии с выражением

Nf=Кт Nf a (13) где Кт — коэффициент пропорциональности, зависящий от принятых дискретностей измерения времени и пути, С выхода блока 26 умножения код N< подается на управляющий вход преобразователя 19 частоты, на частотный вход которого подаются с частотой fo импульсы с выхода генератора 14 эталонной частоты.

На выходе преобразователя частотный си нал изменяется в соответствии с выражениeM:

f3 о Nf которое с учетом (12) и (13) имеет вид:

f3= f, Kr at (14) С выхода преобразователя 19 импульсы с

1 частотой fa поступают на третий счетчик 17, нулю, т.е. удовлетворяется уравнение (9),на выходе компаратора 68 возникает "единичный" сигнал, который установит триггер 74 в "нулевое" состояние. При этом ключ 72 закроется, а на выходе счетчика 73 будет зафиксирован код ускорения а, величина которого соответствует минимуму тепловых потерь в якорной цепи электропривода при двухзонном регулировании скорости, В результате решения уравнения (9) на

1798765

10 (эт =,/ 7зй - — t (15) то Kf Э 2

2 работающий в режиме сложения. Выходной ный сигнал задания скорости по.оптималь код этого счетчика изменяется в соответст- ному трапецеидальному графику, обеспечивии с выражением вающему минимум тепловых потерь в якорной цепи электропривода с двухзон ным регулированием скорости.

Введенные в систему дополнительные блоки 20,21,22,26 представляют собой, наВ момент времени, соответствующий пример, устройства, выполняющие а ифмеокончанию разгона, когда величина Ода эт . U S 23 тические операции по заданной прог амме. станет равной величине кода Llð>, на первом

10 Цифровой компаратор 23 представляет совыходе блока 18 сравнения кодов возникает бой известную логическ ю схем, выполсигнал, запреща Ший прохождение им- ненную на мажоритарных элементах. пульсов через ключ 15 на вход счетчика 16, Коммутатор 24 кодов представляет собой набор управляемых ключей, а задатчик 25 т на выходе этого счетчика остается неизменным, в результа15 константы — набор тумблеров или пе еклю— р у еров или переклю1 чателей. те чего частота fg импульсов сигнала задания скорости также остается постоянной, Формула изоб

Ф р у 3 бретения что соответствует равномерному движению привода с максимальной скоростью, ным регулированием ско ости элект оп иВ момент времени, соответствующий

20 вода, содержащая блок задания в емени д, д р щ блок задания времени началу торможения, когда код L3T на выходе перемещения, блок задания пе еме ения, счетчика 17 станет равным величине Ln — L выход котоРого соединен с пеРвым входом на первом выходе блока 18 сравнения кодов сумматора, выход кото ого подключен к входу преобразователя код-частота, выхоснова появляется сигнал Открывающий - м О

25 дом соединенного с входом блока ограниче, а на втором выходе — сигнал, переключа ощий счетчик 16 на работу в режиме ния частоты, выход кото ого сое инен с вычитания импульсов При этом код И1 на пеРвымвходоминтегРатоРа ЦИФРоаналого выходе счетчика 16 и частота fa импульсов вый преобразователь, вхо ом по ключенсигнала Задания скорости на выходе преоб- 3 разователя 19 частоты начинают уменьВ MОMеHт вреMaHvl, cоoTBегс1ву же- Я ЯкоРЯ ви а елЯ, а ак <е Дв а ель, ющий окончанию торможения, когда од Ьт выход которого соединен с вто ым вхо ом ста т равн м коду заданного перемеща- блока регулирования напряжения якоря ния Ел, на первом выходе блока 18 сравнеич кодов возникает сигнал закрывающий 35 тока возбуждения двигателя, выход котороключ 15. На этом цикл работы контура зада- к оме того атчик пе еме ен и ния скорости заканчивается. При отработке перемещения с максимальной cKopocTblo, рователь импульсов, выхо кото ого сое ине превыша ощей номинальную скорость

- нен с вторым axoäîì интег ато а, пе вый привода, работа контура задания скорости от и ается от аписа ной лишь тем, то н нен с втор™ входом сумматора, а также выходе цифрового компаратора 23 форм ВТОРой и тРетий счетчики импУЛЬСО блок руется сип ал, по которому с выхода блока срав е ыд, РеобРазо атель частоты

20 на третий вход блока 21 проходит чер з и генеРатоР эталонной частоты, выхоД кот ф вычисленный в соответствии с выражением ключа, управляющий вход которого соеди(Ж нен с первым выходом блока сравнения коН а ф 1 Г . 2 и 0 к а 3 а н ы т а х 0 Г эммы 2 7 2 8 д 0 в, в т 0 Р О и в ы х О д к 0 т 0 Р 0 Г 0 с 0 е д и н е н с при отработке перемещений с максимальуправляющим режимом вхо ом

50 счетчика импульсов, первый вход блока бот:е перемеще ий с максимальной Р еюы одов подключен к выходУ блока скоростью V > VH с ослаблением магнитнозадания пе емец ения а вто ой вхо

ГО полЯ 30 при Отработке такОГО же переещения как и для тахогр ммы 29, но без,; вхоД котОРО о соеДинен с втоР™ вхо55 дом блока ограничения частоты и с выходом осла ления магнитного поля (для сравнепреобразователя частоты, о т л и ч а ю щ а яТаким обра ом в течение от аботки з с ем, что, с целью повышениЯ зкономичдач ого перемещения за заданно врем ности пРи РасшиРении области пРименеконтур задания скорости формирует частотее дополнительно введены цифровой компаратор, коммутатор кодов, 1798765 задатчик константы, блок умножения, а также блоки вычисления ускорения, скорости и пути, первые входы которых соединены с выходом блока задания перемещения, а вторые входы — с выходом блока задания времени перемещения, выход блока вычисления скорости соединен с информационными входами цифрового компаратора и Оммутатора кодов, второй вход которого соединен с выходом задатчика константы и с задающим входом цифрового компаратора, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора кодов, выход которого соединен с третьим входом блока вычисления ускорения, выход которого соединен с третьим входом блока вычисления пути и с первым входом блока умножения, 5 второй вход которого соединен.с выходом второго счетчика импульсов, а выход — c управляющим входом преобразователя частоты, информационный вход которого соединен с выходом генератора эталонной

10 частоты, счетный вход второго счетчика импульсов соединен с выходом ключа, а выход блока вычисления пути соединен с третьим входом блока сравнения кодов.

1798765

1798765

Составитель И. Розов

Редактор Т,Орловская Техред M.Моргентал

Корректор M.Êåðåöìàí

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул,Гагарина, 101

Заказ 772 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР .113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5