Следящий электропривод

 

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в электроприводах станков и манипуляционных роботов. Цель изобретения - повышение динамической точности. Электропривод содержит измеритель 1, три сумматора 4, 24, 25, три сравнивающих элемента 11, 17, 27, три усилителя 2, 13 и 16, два выпрямителя 3, 10, широтно-импульсный модулятор 5, двигатель 6, редуктор 7, два дифференциатора 8, 22, пять блоков умножения 9, 15, 19, 28, 29, интеграторы 12, 23, два блока 14, 18 сигнатуры, три релейных элемента 20, 30, 31, формирователь 26 импульсов, реле 21 реверса. 5 ил.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования с бесконтактными двигателями постоянного тока и нелинейными корректирующими устройствами и может быть использовано в электроприводах станков с числовым программным управлением и манипуляционных роботов для повышения динамической точности их работы.

Известны следящие системы с электродвигателями и нелинейными корректирующими устройствами, содержащие интегратор, выпрямители, фазоопережающий фильтр, реле реверса, блоки умножения, релейные элементы и сумматоры [1]. Общим с заявляемым следящим электроприводом в таких системах является наличие интегратора, выпрямителей, реле реверса, блоков умножения и сумматоров. Недостатком систем является возможность возникновения перерегулирований при скачкообразных входных воздействиях.

Наиболее близким к предлагаемому следящему электроприводу по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является следящий электропривод, содержащий измеритель рассогласования, выход которого соединен с входом предварительного усилителя, подключенного через первый выпрямитель к первому входу сумматора, выход которого через широтно-импульсный модулятор подключен к управляющему входу бесконтактного двигателя постоянного тока, соединенного через редуктор с первым входом измерителя рассогласований [2].

Общим с заявляемым электроприводом в этом электроприводе является наличие усилителей, выпрямителей, сравнивающих элементов, сумматора, реле реверса и интегратора, через усилитель охваченного отрицательной обратной связью, коммутируемой по нелинейному закону с помощью двух блоков умножения, двух блоков сигнатуры и однополярного реле. Недостатком этого следящего электропривода является наличие автоколебаний при действии момента нагрузки на валу электродвигателя, снижающих динамическую точность электроприводов.

Целью изобретения является повышение динамической точности следящих электроприводов за счет уменьшения амплитуды автоколебаний при действии момента нагрузки на валу электродвигателя. Цель достигается тем, что в следящий электропривод, функциональная схема которого изображена на фиг.1, содержащий измеритель 1 рассогласования, выход которого соединен с входом предварительного усилителя 2, подключенного через первый выпрямитель 3 к первому входу первого сумматора 4, выход которого через широтно- импульсный модулятор 5 подключен к управляющему входу бесконтактного двигателя 6 постоянного тока, соединенного через редуктор 7 с первым входом измерителя 1 рассогласования, второй вход которого через первый дифференциатор 8 подключен к первому входу первого блока 9 умножения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 4, третий вход которого подключен к выходу второго выпрямителя 10, а также первый сравнивающий элемент 11, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 2, а выход подключен к интегрирующему входу первого интегратора 12, выход которого соединен с входами первого усилителя 13, первого блока 14 сигнатуры и первым входом второго блока 15 умножения, выход которого через второй усилитель 16 подключен к второму входу первого сравнивающего элемента 11, второй сравнивающий элемент 17, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 2, второй вход подключен к выходу первого усилителя 13, а выход через второй блок 18 сигнатуры соединен с первым входом третьего блока 19 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока 14 сигнатуры, а выход через первый релейный элемент 20 соединен с вторым входом второго блока 15 умножения, кроме того, реле 21 реверса, выход которого подключен к входу фазового управления бесконтактного двигателя 6 постоянного тока и к второму входу первого блока 9 умножения, введены второй дифференциатор 22, второй интегратор 23, второй и третий сумматоры 24 и 25, формирователь 26 импульсов, третий сравнивающий элемент 27, четвертый и пятый блоки 28 и 29 умножения, второй и третий релейные элементы 30 и 31, при этом выход бесконтактного двигателя 6 постоянного тока через второй дифференциатор 22 подключен к первому входу третьего сравнивающего элемента 27, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциатора 8, а выход через второй релейный элемент 30 подключен к первому входу четвертого блока 28 умножения, второй вход которого соединен с выходом первого релейного элемента 20, а третий вход через третий релейный элемент 31 подключен к выходу предварительного усилителя 2, соединенному также с первыми входами пятого блока 29 умножения и второго сумматора 24, второй вход которого подключен к выходу третьего сравнивающего элемента 27, а выход соединен с входом реле 21 реверса, выход четвертого блока 28 умножения подключен к входу формирователя 26 импульсов, второму входу пятого блока 29 умножения и к управляющему входу первого интегратора 12, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора 25, второй вход которого подключен к выходу второго интегратора 23, интегрирующий вход которого соединен с выходом пятого блока 29 умножения, управляющий вход подключен к выходу формирователя 26 импульсов, а вход установки начальных условий интегрирования соединен с выходом третьего сумматора 25, подключенного к входу второго выпрямителя 10.

Сущность изобретения, таким образом, состоит в формировании нового закона интегрирования сигнала ошибки по положению двумя интеграторами 12 и 23, первый из которых является интегратором со сбросом, а второй - интегратором с установкой начальных условий интегрирования. Условия интегрирования или сброса первого интегратора 12 и условия интегрирования или установки начальных условий интегрирования второго интегратора 23 определяются соотношением знаков сигналов ошибки по положению и по скорости, выходных сигналов первого интегратора 12 и второго сравнивающего элемента 17, что реализуется за счет второго и третьего релейных элементов 30 и 31, четвертого блока 28 умножения, первого и второго блоков 14 и 18 сигнатуры, третьего блока 19 умножения, первого релейного элемента 20 и формирователя 26 импульсов.

Указанный признак является существенно новым, так как в устройстве-прототипе интегрирование сигнала ошибки по положению осуществлялось одним интегратором, охваченным коммутируемой отрицательной обратной связью, что при наличии момента нагрузки на валу электродвигателя приводило к возникновению автоколебаний в электроприводе, амплитуда которых возрастала при увеличении момента нагрузки. Причина данных автоколебаний обусловлена тем, что для компенсации действующего момента нагрузки происходило увеличение выходного напряжения указанного интегратора и при включении отрицательной обратной связи, охватывающей его, происходил чрезмерный разряд данного интегратора. В предлагаемом следящем электроприводе за счет нового закона интегрирования сигнала ошибки по положению сбрасываемым первым интегратором 12, охваченным коммутируемой отрицательной обратной связью, и вторым интегратором 23 с установкой начальных условий интегрирования при использовании информации о знаках ошибок по положению и по скорости за счет второго дифференциатора 22, формирователя 26 импульсов, третьего сравнивающего элемента 27, второго и третьего релейных элементов 30 и 31 необходимое для компенсации действующего момента нагрузки напряжение запасается во втором интеграторе 23, не охваченном коммутируемой отрицательной обратной связью и, следовательно, не подверженном разряду накопленным в нем напряжением подобно первому интегратору 12. Запасаемое во втором интеграторе 23 компенсирующее напряжение позволяет существенно уменьшить (вплоть до нуля) амплитуду автоколебаний, вызванных действием момента нагрузки.

На фиг.2 и 3 изображены принципиальные схемы первого и второго интеграторов соответственно; на фиг.4 показан фазовый портрет следящего электропривода; на фиг.5 - его переходной процесс, где Θi_, Θ_o - входной и выходной углы электропривода; U'_n, U_n - входное и выходное напряжения блока с номером n.

Cледящий электропривод работает следующим образом.

В измерителе 1 рассогласования определяется величина ошибки по положению между входным и выходным углами U₁= Θ_i- Θ_o, которая усиливается предварительным усилителем 2 до напряжения U₂, поступающего на первый вход второго сумматора 24, на второй вход которого поступает напряжение U₂₇, соответствующее ошибке по скорости предлагаемого электропривода. Выходное напряжение второго сумматора 24 U₂₄=U₂+U₂₇через реле 21 реверса поступает на вход фазового управления электродвигателем 6, определяя знак управляющего напряжения U₄, формируемого на выходе первого сумматора 4, на входы которого поступают сигналы, пропорциональные модулю ошибки по положению U₃, производной от входного воздействия U₈ и модулю интеграла ошибки по положению U₁₀. Интеграл ошибки по положению формируется как сумма выходных напряжений первого и второго интеграторов 12 и 23, определяемая третьим сумматоров 25: U₂₅= U₁₂+U₂₃. Первый интегратор 12 охвачен коммутируемой отрицательной обратной связью, реализуемой за счет первого сравнивающего элемента 11, второго усилителя 16 и второго блока 15 умножения, который осуществляет подключение или отключение указанной обратной связи, задаваемое выходным сигналом U₂₀ первого релейного элемента 20. Второй сравнивающий элемент 17 формирует на своем выходе разность между усиленным первым усилителем 13 выходным напряжением первого интегратора 12 и выходным напряжением предварительного усилителя 2: U₁₇=U₁₃-U₂, которая преобразуется во втором блоке 18 сигнатуры в сигнал U₁₈=signU₁₂, поступающий на первый вход третьего блока 19 умножения, на второй вход которого поступает сигнал U₁₄= signU₁₂. Выходное напряжение третьего блока 19 умножения определяет входной сигнал первого релейного элемента 20: U₁₉=signU₁₂ signU₁₇, выходной сигнал U₂₀ которого поступает на второй вход второго блока 15 умножения и второй вход четвертого блока 28 умножения, на первый и третий входы которого поступают выходные сигналы соответственно второго и третьего релейных элементов 30 и 31. При этом для релейных элементов 20, 30 и 31 имеет место соотношение U_j= где j=20, 30, 31 - номера блоков релейных элементов. Тем самым на выходе четвертого блока 28 умножения формируется сигнал U₂₈= который поступает на управляющий вход первого интегратора 12 и через формирователь 26 импульсов на управляющий вход второго интегратора 23, на вход установки начальных условий интегрирования которого поступает сумма выходных напряжений первого и второго интеграторов 12 и 23, определяемая третьим сумматором 25: U₂₅=U₁₂+U₂₃. Сигнал U₂₈ поступает также на второй вход пятого блока 29 умножения U₂₉, на первый вход которого поступает выходное напряжение предварительного усилителя 2. В соответствии с фиг.1 и 2 первый интегратор 12 со сбросом, реализованный на основе операционного усилителя 32 с емкостной обратной связью и ключом на МОП-транзисторе n-типа, интегрирует поступающее на его интегрирующий вход выходное напряжение первого сравнивающего элемента 11 при сигнале U₂₈=0, так как в данном случае транзистор 33 находится в разомкнутом состоянии. При U₂₈=0 поступающее на интегрирующий вход второго интегратора 23 напряжение U₂₉=0 и в соответствии с фиг.3 второй интегратор 23 с установкой начальных условий интегрирования, реализованный на основе операционного усилителя 34 с емкостной обратной связью, инвертора 35 и ключей на МОП-транзисторах n-типа, имеет на своем выходе напряжение U₂₃=const, так как в данном случае транзисторы 36, 37, 38 находятся в разомкнутом состоянии, а транзисторы 39, 40 - в замкнутом состоянии. При смене сигнала U₂₈ с "0" на "+1" формирователь 26 импульсов формирует короткий импульс U₂₆>0, поступающий на управляющий вход второго интегратора 23 и замыкающий транзисторы 36, 37, 38, размыкая при этом транзисторы 39, 40, что приводит к установке новых начальных условий интегрирования данного интегратора, равных сумме выходных напряжений первого и второго интеграторов 12 и 23: U₂₅=U₁₂+U₂₃. C некоторой задержкой, определяемой временем установки новых начальных условий интегрирования второго интегратора 23, первый интегратор 12 сбрасывается, так как при U₂₈=+1 транзистор 33 (фиг.2) замыкается, разряжая тем самым конденсатор в цепи обратной связи операционного усилителя. Кроме того, при U₂₈= +1 на интегрирующий вход второго интегратора 23 через пятый блок 29 умножения поступает напряжение U₂, пропорциональное величине ошибки по положению. Тем самым при сбросе первого интегратора 12 интегрирование сигнала ошибки по положению осуществляется вторым интегратором 23. В целом выходное напряжение первого интегратора 12 U₁₂= а выходное напряжение второго интегратора 23 U₂₃= и в любой момент времени интегрирование осуществляется только одним из двух интеграторов.

Как следует из фиг.1, предлагаемый следящий электропривод является системой с переменной структурой. На основе метода фазового пространства в качестве осей фазовых координат выбирают х=U₂, y=U₂₅, = dх/dt, как изображено на фиг.4. Тогда динамика предлагаемого следящего электропривода описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений (1) где K_i - коэффициент передачи интеграторов 12 и 23; K_f - коэффициент усиления контура коммутируемой обратной связи, охватывающей первый интегратор 12; Т_m - электромеханическая постоянная времени электродвигателя 6; k - общий коэффициент передачи электропривода; k_н - коэффициент передачи по моменту нагрузки;
М_н - момент нагрузки;
а - скорость линейной заводки при Θ_i=at;
S₁=T+k, (2) где Т_k - постоянная времени дифференциаторов 8 и 22;
Ψ - коэффициент коммутации отрицательной обратной связи, охватывающей первый интегратор 12,
Ψ = (3) где
S₂=-C₁y₁+x, (4) C₁ - постоянный коэффициент, C₁>0;
у₁ - выходное напряжение первого интегратора 12;
у₁=U₁₂, причем у1=0 при Ψ =1∧х>0>0.

Напряжение на входе первого интегратора 12
U= (5)
Напряжение на входе второго интегратора 23
U= (6)
Тогда в соответствии с выражениями (5) и (6) при Ψ= 1 ∧х>0 ∧ >0 для выходных сигналов интеграторов 12 и 23 имеют место соотношения у₁=0, = 0, = K_ix , где у₂=U₂₃, а в остальных случаях - соотношения:
= K_i(x-K_fΨy₁); = 0; y₂≠ 0.

Переключения с одной структуры на другую (всего возможны четыре различных структуры электропривода) в рассматриваемом фазовом пространстве (у, х, ) происходят на плоскостях S₁=0 и S₂=0, которые пересекаются по линии Ls при у₂=0, как изображено на фиг.4. Так как плоскость S₁=0 является плоскостью скольжения, получают условия существования режима скользящих движений на плоскости S₂= 0 в предположении, что изображающая точка системы уравнений (1) скользит по плоскости S₁=0. Как следует из выражения (4),
= C₁[K_iK_fΨ-(C₁K_iT_k+1)/T_к]y₁, (7) что при S₁=0 и K_iT_k(K_f Ψ-C₁)<1 с учетом соотношения (3) означает выполнение условия существования режима скользящих движений на линии L_sплоскости S₂=0.

Пусть начальному состоянию электропривода в рассматриваемом фазовом пространстве (у, х, ) соответствует точка p_о(у_о, х_о, ). Тогда при скачкообразном входном воздействии Θ_i =const изображающая точка системы уравнений (1) двигается в пространстве (у, х, ) из начального положения p_о. По достижении изображающей точкой плоскости S₁=0 (точка p₁(у_р1, x_p1, ) на фиг. 4) в следящем электроприводе возникает устойчивый скользящий режим, которому в пространстве (у, х, ) соответствует движение изображающей точки вдоль линии р₁р₂ пересечения плоскостей S₁=0 и S₃=0, где S₃= (y-y_p1)+K_iT_k(x-x_p1). При попадании изображающей точки на линию L_s (точка p₂ на фиг.4) при S₁=0 возникает скольжение и по плоскости S₂=0, т.е. дальнейшее движение изображающей точки происходит вдоль линии скольжения Ls, которая является линией пересечения плоскостей S₁=0 и S₂=0. При отсутствии момента нагрузки на валу электродвигателя переходной процесс завершается в скользящем режиме в начале координат рассматриваемого фазового пространства.

При наличии момента нагрузки на валу электродвигателя и нарушении условия
| х| +| у| >K_нМ_н (8) происходит срыв изображающей точки с линии скольжения (точка P_c1 на фиг.4), в результате чего в прототипе возникали автоколебания, причем при М_н=const амплитуда данных колебаний была постоянной. В предлагаемом электроприводе нарушение условия (8), приводящее к срыву скользящего режима, приводит также к тому, что при Ψ =1 ошибки по положению и по скорости становятся положительными, т.е. х>0, х>0. В данном случае в предлагаемом электроприводе выходной сигнал первого интегратора 12 суммируется с выходным сигналом второго интегратора 23, определяя новые начальные условия интегрирования второго интегратора 23, после чего первый интегратор 12 сбрасывается. Тем самым в фазовом пространстве (у, х, ) линия скольжения L_s смещается на величину выходного сигнала первого интегратора 12 у₁ вдоль оси О_у от своего положения, как показано на фиг.4 (линия L'_s). При этом изображающая точка системы уравнений (1) движется по траектории P_c1p₃. После нового попадания на плоскость S₁=0 (точка P₃(y_p3, x_p3, ) на фиг.4 дальнейшее движение изображающей точки происходит вдоль линии P₃P₄ пересечения плоскостей S₁=0 и S'₃=0, где S'₃=(y-y_p3)+K_iT_k(x-x_p3) до попадания на смещенную линию скольжения L'_s(точка P₄ на фиг.4). Скольжение вдоль линии L'_s осуществляется до тех пор, пока условие (8) выполняется, в противном случае изображающая точка вновь срывается с линии скольжения L'_s (точка p_c2 на фиг. 4) и совершает описанный выше предельный цикл. Как видно из фиг.4, амплитуда данных колебаний уменьшается после каждого срыва изображающей точки с линии скольжения, так как при этом увеличивается величина смещения линии скольжения вдоль оси О_у. Указанное увеличение выходного сигнала у₂второго интегратора 23 происходит до тех пор, пока сигнал у₂ не станет компенсировать действующий момент нагрузки и, следовательно, амплитуда автоколебаний не уменьшится вплоть до нуля.

Таким образом, новый закон интегрирования ошибки по положению электропривода двумя интеграторами позволяет компенсировать действующие на валу электродвигателя моменты нагрузки с подавлением автоколебаний.

Формула изобретения

СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, предварительный усилитель, первый выпрямитель, первый сумматор, широтно-импульсный модулятор, бесконтактный двигатель постоянного тока, редуктор, выход которого соединен с первым входом измерителя рассогласования, второй вход которого является входом электропривода и соединен через первый дифференциатор с первым входом первого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом реле реверса и входом фазового управления бесконтактого двигателя постоянного тока, а выход - вторым входом первого сумматора, третий вход которого соединен с выходом второго выпрямителя, выход предварительного усилителя соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен через первый усилитель с выходом второго блока умножения, а выход - с информационным входом первого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, с входами первого блока сигнатуры и второго усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с первым входом второго сумматора, а выход - с входом второго блока сигнатуры, выход которого соединен с первым входом третьего блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого блока сигнатуры, а выход - с входом первого релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом второго блока умножения, отличающийся тем, что, с целью повышения динамической точности, дополнительно введены второй дифференциатор, второй интегратор, четвертый, пятый и шестой сумматоры, формирователь импульсов, четвертый и пятый блоки умножения, второй и третий релейные элементы, причем выход бесконтактного двигателя постоянного тока через второй дифференциатор соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциатора, а выход - с входом второго релейного элемента и первым входом пятого сумматора, второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, входом третьего релейного элемента и первым входом четвертого блока умножения, а выход - с входом реле реверса, выходы второго и третьего релейных элементов соединены соответственно с первым и вторым входами пятого блока умножения, третий вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, а выход - с входом сброса первого интегратора, вторым входом четвертого блока умножения и входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом управления установкой начальных условий второго интегратора, информационный вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, вход задания начальных условий - с выходом шестого сумматора и входом второго выпрямителя, а выход - с первым входом шестого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5