Следящий электропривод



Следящий электропривод
Следящий электропривод
Следящий электропривод
Следящий электропривод
Следящий электропривод
Следящий электропривод
Следящий электропривод

 


Владельцы патента RU 2489798:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с исполнительными двигателями постоянного тока или с синхронными машинами, работающими в режимах вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока. Техническим результатом является повышение быстродействия следящих систем. Следящий электропривод содержит блок (1) задания, интегральный регулятор (2), пропорционально-дифференциальный регулятор (3), силовой преобразователь (4), электродвигатель (5) с исполнительным механизмом (6), датчик (7) положения, пропорциональный регулятор (8) и блок (9) дифференцирования. Предлагаемый электропривод позволяет повысить быстродействие следящих систем. 6 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с исполнительными двигателями постоянного тока или с синхронными машинами, работающими в режимах вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока.

Наиболее близким по технической сущности является структурно-минимальный электропривод (см. Галицков С.Я., Галицков К.С. Многоконтурные системы управления с одной измеряемой координатой. - Самара: СГАСУ, 2004. - С.15-35), содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель и датчик положения.

Недостаток наиболее близкого по технической сущности следящего электропривода заключается в том, что он обладает низким быстродействием.

Сущность изобретения состоит в том, что следящий электропривод, содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель с исполнительным механизмом и датчик положения, причем выход блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с входом силового преобразователя, выход которого соединен с электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с вторым входом интегрального регулятора, дополнительно снабжен пропорциональным регулятором и блоком дифференцирования, причем выход интегрального регулятора соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход датчика положения соединен с вторым входом пропорционального регулятора и входом блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет повысить быстродействие следящего электропривода.

На фиг.1 приведена функциональная следящего электропривода; на фиг.2 - структурная схема следящего электропривода, на фиг.3 - расчетная модель следящего электропривода; на фиг.4 - переходный процесс по управляющему воздействию; на фиг.5 - переходный процесс по возмущающему воздействию; на фиг.6 - частотные характеристики электропривода.

Следящий электропривод (фиг.1) содержит блок 1 задания, интегральный регулятор 2, пропорционально-дифференциальный регулятор 3, силовой преобразователь 4, электродвигатель 5 с исполнительным механизмом 6, датчик 7 положения, пропорциональный регулятор 8 и блок 9 дифференцирования.

Выход блока 1 задания соединен с первым (прямым) входом интегрального регулятора 2. Выход пропорционально-дифференциального регулятора 3 соединен с входом силового преобразователя 4, выход которого соединен с электродвигателем 5, кинематически связанным с исполнительным механизмом 6. Исполнительным механизм 6 оснащен датчиком 7 положения, выход которого соединен с вторым (инверсным) входом интегрального регулятора 2. Выход интегрального регулятора 2 соединен с первым (прямым) входом пропорционального регулятора 8, выход которого соединен с первым (прямым) входом пропорционально-дифференциального регулятора 3, выход датчика 7 положения соединен с вторым (инверсным) входом пропорционального регулятора 8 и входом блока 9 дифференцирования, выход которого соединен с вторым (инверсным) входом пропорционально-дифференциального регулятора 3.

Блок 1 задания параметров может быть выполнен, например, на микросхемах К555ТМ8, разрядные входы которых подключаются с помощью переключателей к логическим нулям или единицам. Интегральный 2, пропорционально-дифференциальный 3 и пропорциональный 8 регуляторы и блок 9 дифференцирования могут быть реализованы, например, по а.с. СССР №1649501, опубл. 15.05.91, Бюл. №18 и выполнены, например, на микросхемах серии К555. Силовой преобразователь 4 для электродвигателя постоянного тока, например, реализован в виде цифрового широтно-импульсного модулятора по а.с. СССР №1748241, опубл. 15.07.92, Бюл. №26, с силовым транзисторным мостом на выходе. Для синхронной машины, работающей в режиме вентильного двигателя силовой преобразователь 4 может быть выполнен, например, в виде цифрового модулятора по а.с. СССР №1798907, опубл. 28.02.93, Бюл. №8, с силовым трехфазным транзисторным мостом на выходе. В качестве электродвигателя 5 может быть использован, например, любой электродвигатель постоянного тока или синхронная машина с датчиком положения ротора, например, 4CX2П100L8. Исполнительный механизм 6, например, может представлять собой стол координатно-расточного станка, соединенный с помощью ходового винта и муфты с валом электродвигателя 5. В качестве датчика 7 положения, например, может быть использована фотооптическая линейка BE 162 с соответствующим устройством оцифровки ее выходного сигнала.

Следует также отметить, что блок 1 задания параметров, интегральный 2, пропорционально-дифференциальный 3 и пропорциональный 8 регуляторы и блок 9 дифференцирования могут быть реализованы также программно на микропроцессорном контроллере.

Следящий электропривод работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего выхода блока 1 задания, и сигнала датчика 7 положения интегральный регулятор 2 в совокупности с пропорциональным регулятором 8, блоком 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальным регулятором формируют сигнал на входе силового преобразователя 4. Силовой преобразователь 4 преобразует этот сигнал в напряжение на якоре электродвигателя 5 постоянного тока (статоре синхронной машины). При этом вал электродвигателя начинает вращаться и приводит в движение исполнительный механизм 6, перемещение которого измеряется датчиком 7 положения. Движение продолжается до тех пор, пока величина сигнала с датчика 7 положения не сравняется с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания. Интегральный регулятор 2 компенсирует действие всех помех, охваченных датчиком 7. Пропорциональный регулятор 8, блок 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальный регулятор 3 обеспечивают компенсацию основных инерционностей электродвигателя 5 и исполнительного механизма 6.

Для подтверждения высокого быстродействия предлагаемого следящего электропривода рассмотрим его структурную схему (фиг.2). Она содержит три контура: внутренний контур скорости и два контура положения. Для организации обратной связи по скорости сигнал безинерционного датчика положения с коэффициентом передачи kДП дифференцируется звеном с передаточной функцией

WOCC(p)=kOCCp,

где kOCC - коэффициент передачи по скорости (постоянная времени дифференцирования).

Электродвигатель постоянного тока представлен в виде двух последовательно соединенных звеньев, охваченных отрицательной обратной связью по э.д.с. двигателя с коэффициентом передачи СЕФ. Первое из этих звеньев описывает статические и динамические свойства якорной цепи электродвигателя, определяемые ее активным сопротивлением RЯ и индуктивностью LЯ

W Я ( p ) = 1 R Я ( Т Я р + 1 ) ,

где Т Я = L Я R Я - электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя.

Второе звено, выходом которого является скорость ω электродвигателя, учитывает механическую инерционность объекта и в соответствии с основным уравнением движения электропривода описывается передаточной функцией

W Э М ( р ) = R Я С Е Ф Т М р ,

где Т М = J R Я С Е С М Ф 2 - электромеханическая постоянная времени, J - суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя, СЕ и СМ - конструктивные коэффициенты электрической машины.

Такое представление справедливо и для синхронной машины, работающей в режиме вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока.

Исполнительный механизм представлен интегральным звеном, связывающим перемещение x(p) (угловое или линейное) со скоростью ω(p) электродвигателя

W И М ( р ) = x ( p ) ω ( p ) = k И М р ,

где kИМ - коэффициент передачи исполнительного механизма.

Силовой преобразователь с достаточной для инженерных расчетов точностью можно считать апериодическим звеном с передаточной функцией

W С П ( р ) = k С П Т С П р + 1 ,

где kСП и ТСП - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя, соответственно.

Пропорционально-дифференциальный регулятор первого (внутреннего) контура представлен передаточной функцией

WПД(р)=kПДПДр+1),

где kПД - коэффициент передачи, а ТПД - постоянная времени регулятора.

Пропорциональный регулятор второго контура имеет коэффициент передачи kП. Интегральный регулятор третьего (внешнего) контура представлен передаточной функцией

W И ( р ) = 1 Т И р ,

где ТИ - постоянная времени.

Передаточная функция объекта управления, под которым понимается совокупность электродвигателя и исполнительного механизма,

W О У ( р ) = k И М С Е Ф ( Т Я Т М р 2 + Т М р + 1 ) р .

В большинстве случаев последнее выражение можно представить в виде

W О У ( р ) = k И М С Е Ф ( Т 1 р + 1 ) ( Т 2 р + 1 ) р ,                                                       ( 1 )

где Т1 и Т2 постоянные времени, получающиеся из разложения знаменателя передаточной функции (1). Для определенности будем считать, что Т12.

Пропорционально-дифференциальный регулятор внутреннего контура предназначен для компенсации наибольшей инерционности объекта управления, поэтому его постоянная времени выбирается из условия

ТПД2.

С учетом этого передаточная функция следящего электропривода

W 3 ( p ) = 1 k Д П [ Т 1 Т С П Т И k 2 p 4 + ( Т 1 + Т С П ) Т И k 2 p 3 + ( 1 + k 1 ) Т И k 2 p 2 + Т И р + 1 ] ,

где k1=kПДkСПkДУkИМkДПkОСС; k2=kПkПДkСПkДУkИМkДП; k Д У = 1 С Е Ф .

Величины коэффициентов передачи пропорционального kП и пропорционально-дифференциального kПД регуляторов выбираются из условия

k П Т 1 + Т С П Т 1 Т С П ( 1 k П Д k С П k Д У k И М k Д П + k О С С ) .

Величина постоянной времени интегрального регулятора выбирается из следующего условия

Т И ( Т 1 + Т С П ) 2 ( Т 1 + Т С П ) ( 1 + k 1 ) Т 1 Т С П k 2 .

Промоделируем рассматриваемый следящий электропривод в среде «МАТLАВ SIMULINK» для конкретной технической реализации. Расчетная модель следящего электропривода приведена на фиг.3. В ней учтено, что следящий электропривод используется в приводе подачи координатно-расточного станка с исполнительным электродвигателем 2ПБВ 100 М. Конструктивный коэффициент исполнительного электродвигателя СЕФ=0,375 Вс/рад. Исполнительный двигатель связан с подвижным узлом, например, столом шарико-винтовой парой с шагом h=10 мм/об. С учетом инерционности исполнительного механизма и активного и индуктивного сопротивлений силового преобразователя электромагнитная и электромеханическая постоянные времени электродвигателя равны ТЯ=0,005 с и ТМ=0,199 с. Так как фактически задающий сигнал следящего электропривода формируется в дискретах датчика положения, то kДП=1, а коэффициент передачи исполнительного механизма kИМ=1592 дискрет/рад (при дискретности измерения в 1 мкм). В качестве силового преобразователя в электроприводе используется 14 разрядный цифровой широтно-импульсный преобразователь с частотой коммутации силовых транзисторов 5 кГц и максимальным выходным напряжением 120 В, поэтому kСП=0,0073 В/дискрету, ТСП=0,0001 с. В расчетной модели также учтено, что выбраны следующие настройки регуляторов: ТПД=0,1937 с, kПД=256, kП=8, ТИ=0,001 с. Расчетная модель позволяет построить переходные процессы по управлению (рис.4) и возмущению (рис.5), а также частотные характеристики следящего электропривода (рис.6). Анализ построенных графиков показывает, что время переходного процесса по управлению составляет tПП=0,00209 с, а перерегулирование - σ=0,465%. Динамический провал при набросе момента, эквивалентного току нагрузки в 1A не превышает Δxmax=0,000182 мкм, а статическая ошибка позиционирования равна нулю. Полоса частот пропускания следящего электропривода составляет 1880 рад/с или 299 Гц.

Полученные результаты позволяют сказать, что предложенный следящий электропривод практически в 10 раз превосходит по быстродействию устройство, взятое за прототип.

Таким образом, предлагаемый электропривод позволяет повысить быстродействие следящих систем.

Следящий электропривод, содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель с исполнительным механизмом и датчик положения, причем выход блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с входом силового преобразователя, выход которого соединен с электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с вторым входом интегрального регулятора, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен пропорциональным регулятором и блоком дифференцирования, причем выход интегрального регулятора соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход датчика положения соединен с вторым входом пропорционального регулятора и входом блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к разделу управления и может быть использовано для регулирования скорости электромеханического объекта, представляющего собой электродвигатель постоянного тока и упругосвязанный с ним исполнительный механизм.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ударным изменением нагрузки, преимущественно в электроприводах широкополосных станов горячей прокатки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при регулировании параметров сложных электромеханических систем, например электроприводов постоянного тока, соединенных с объектом управления вязкоупругой кинематической передачей.

Изобретение относится к области управления и может быть использовано при регулировании параметров сложных электромеханических систем, например электроприводов постоянного тока, соединенных с объектом управления вязкоупругими кинематическими связями.

Изобретение относится к автоматизированному электроприводу, в частности к автоматизированной идентификации параметров асинхронного электропривода. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам автоматического фазирования синхронизированных электроприводов с фазовой автоподстройкой частоты вращения, и может быть использовано в системах передачи и воспроизведения информации.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в промышленных установках. .

Изобретение относится к автоматизированному электроприводу, в частности к автоматизированной идентификации параметров электропривода, и может найти применение в адаптивных и самонастраивающихся системах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для создания электропривода с постоянной скоростью вращения ротора электродвигателя. .

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для автоматического регулирования тока электродвигателей постоянного тока и может быть использовано в электроприводах переменного тока, построенных на базе асинхронных электродвигателей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для закрывания, затемнения защиты от солнца или для экранирования в здании. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для закрывания, затемнения защиты от солнца или для экранирования в здании. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах передачи и воспроизведения информации, например в приводе устройств видеозаписи. .

Изобретение относится к инструментам с электродвигателем постоянного тока. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ручных электрических шлифовальных машинах. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для приведения в движение синхронного электродвигателя, содержащего ротор с постоянными магнитами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для приведения в движение синхронного электродвигателя, содержащего ротор с постоянными магнитами.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может использоваться в качестве электродвигателя в системах управления. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных установках для обработки позиционными электроприводами заданных программ перемещения.
Наверх