Устройство для управления электроприводом

 

О П И С А Н И Е 892630

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соавтсиик

Социапистичвсиих

Рвспубпии (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (51)M. Кл. (22)Заявлено 11.04.80 (21) 2911676/24-07 с присоединением заявки яв (23) Приоритет

Н 02 P 5/00

9кудврстванвй кеивтвт

CCCP ю двлзи нзввретевкв в еткрыткя

Опубликовано 23.12. 81. Бюллетень М 47

Дата опубликования описания 25. 12 81 (53) УДК 621. .З1З.2(088.8) (72) Авторы изобретения

Ю.Б. Соколовский, О.П. Русаков, Е.И. Кутуз и M.Â. Толстиков

gglggpl «»» « (21) заявители (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Изобретение относится к электро" технике и может быть использовано в различных высокоточных и быстродействующих системах управления вентильным электроприводом постоянного тока.

Известно введение в контур регулирования замкнутых систем управления устройства, формирующего одновременно сигналы, пропорциональные ошибке регулирования, интегралу от этой ошибки и ее производной. Такие устройства получили название "ПИД"— регулиторы 513.

Известно вычислительное устройство для определения соотношений между частотными сигналами для получения сигналов в виде аналоговых необходимых при построении высокоточных и быстродействующих приводов.

Это устройство предназначено для работы в частотнофазовой системе с усилителем мощности управляемым от широтно-импульсного модулятора 2}.

В случае использования вентильного преобразователя в качестве усилителя мощности это устройство не может быть непосредственно использовано в вентильном электроприводе, где частота питающей сети вентильного преобразователя не совпадает с частотой определения фазового сдвига и существенно ниже ее„ поэтому определение текущего значения ошибки регулирования или р дефференциала от ошибки нецелесообразно. Так, например, в быстродействующем вентильном электроприводе с малоинерционными двигателями при большом

$$ диапазоне регулирования скорости в зоне малых скоростей наблюдаются пульсации скорости с частотой коммутации вентилей вплоть до 1003 и даже шаговый режим движения.

При наличии пульсаций скорости внутри интервала вентильности теряется однозначное соответствие между сигналом задания скорости в момент включения очередного вентиля и текущи3 ми значениями скорости внутри интервала вентильности. В этом случае близ кие к мгновенным значениям ошибки или ее производной не могут быть использованы непосредственно для управления приводом.

Наиболее близким техническим решением является устройство, содержащее интегратор, выход которого соединен с одним из входов первого сумматора и через первый коммутирующий элемент и первое запоминающее устройство с другим входом этого же сумматора, вход второго запоминающего устройства через второй коммутирующий элемент соединен с выходом первого сумматора, и второй сумматор (31.

Однако это устройство обладает недостатками усложняющими его реализацию в качестве "ПИД" — регулятора в системе вентильного электропривода с высоким быстродействием. В динамических режимах, когда интервал вентильности значительно отличается от величины

4 . тодом, н2 — преобразования" учитывая переменное запаздывание импульса управления относительно импульса синхронизации.

Данное устройство не устраняет . фактора пульсаций, хотя и уменьшает его влияние.

Структура устройства не позволяет использовать его при построении систем электропривода инвариантных к нагрузке, располагать узел токоограничения таким оптимальным образом, чтобы задавать более точно ускорение электропривода в динамических режи15

Цель изобретения — расширение функциональной возможности устройства.

2 тo = где m — пульсность силовой схемы

S.Ï.;

Шс, — круговая частота сети.

8 усредненных значениях пропорциональной и дифференциальной составляющих выходного сигнала устройства появляется неучитываемая ошибка (импульсы управления используются в качестве синхронизирующих), которую заранее предусмотреть и учесть с помощью существующих инженерных методов очень трудно. Если импульсы синхронизации не связаны с импульсами управления, а например, с точками естественного зажигания, то в этих . точках пропорциональная и дифференциальная составляющие выходного сигнала устройства не будут иметь ошибки, но импульсы управления вентильным преобразователем приходят в другие моменты времени (между импульсами синхронизации) в эти моменты времени выходной сигнал устройства еще не содержит правильной информации о пропорциональной и дифференциальной составляющих и, следовательно, появ ляется неучитываемая ошибка.

Если бы в этом случае пропорциональная и дифференциальная составляющие были верны, то, так как интервал синхронизации постоянный, расчет йожно внести известным инженерным ме20

Юо

Поставленная цель достигается тем, что в него дополнительно введены первый и второй суммирующие усилители, третий и четвертый коммутирующие элементы, третий и четвертый запоминающие устройства, синхронизатор фазосдвигающего устройства преобразователя, схема формирования импульсов синхронизации, два элемента задержки, узел токоограничения, один из входов первого суммирующего усилителя соединен с выходом интегратора, а другой — с выходом второго запоминающего устройства, вход узла токоограничения соединен с выходом первого суммирующего усилителя, а выход соединен с одним из входов второго сумматора, и через третий коммутирующий элемент и третье запоминающее устройство с другим входом второго сумматора, выход которого через четвертый коммутирующий элемент и четвертое запоминающее устройство соединен с другим входом второго суммирующего усилителя, а выход последнего является выходом устройства управления, выход синхронизатора фазосдвигающего устройства, преобразователя соединен со входом схемы формирования импульсов синхронизации, выход которой соединен с цепью управления вторым коммутирующим элементом и через первый элемент задержки с цепью управления четвертым коммутирующим элементом, выход первого элемента задержки соединен также со входом второго элемента задержки, выход которого соединен с цепями управления первого и третьего коммутирующих элементов.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг, 2 — эпюры

892630

4Ф

l5

SO

5 напряжения, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит (фиг. 1) три сумматора 1-3, интегратор 4, четыре коммутирующих элемента 5-8, четыре запоминающих устройства 9-12, узел 13 токоограничения, два суммирующих усилителя 14 и 15 синхронизатор 16 фазосдвигающего устройства преобразователя, схему 17 формирования импульсов синхронизации, два элемента задержки 18 и 19.

Выход сумматора 1 соединен со входом интегратора 4, выход которого соединен с одним из входов сумматора 2, с одним из входов суммирующего усилителя.14 и через коммутирующий элемент 5, запоминающее устройство

9 — с другим входом сумматора 2, выход которого через коммутирующий we" мент 6 и запоминающее устройство 10 соединен с другим входом суммирующего усилителя 14, выход которого соединен со входом узла 13 токоограничения, выход узла токоограничения 13 соединен с одним из входов суммирующего усилителя 15, с одним из входов. сумматора 3 и через коммутирующий элемент 7, запоминающее устройство

11 — с другим входом сумматора 3, а выход последнего соединен через коммутирующий элемент 8 и запоминающее устройство 12 с другим входом суммирующего усилителя 15, выход которого является выходом всего устройства управления.

Выход синхронизатора фазосдвигающего устройства преобразователя 16 соединен со входом схемы 17 формиро" вания импульсов синхронизации, выход которой соединен с цепью управления коммутирующим элементом 6 и со входом элемента задержки 18, выход которого соединен с цепью управления коммутирующим элементом 8 и со входом элемента задержки 19, выход которого соединен с цепями управления коммутирующих элементов 5 и 7.

Устройство работает следующим образом.

На входы сумматора 1 поступают сигнал задания U > и сигнал обратной связи Uo < . На выходе сумматора 1 получаем сигнал, пропорциональный ошибке основного параметра, т.е. 0.(0- - Ug(., который поступает на Ф вход интегратора 4. На его выходе

tO l5

36

36

35 б появляется сигнал U, определяемый выражением

0 = (Udt (1) о

Пусть U имеет зависимость во времени, как показано на фиг. 2д. На вход синхронизатора фазосдвигающего устройства преобразователя 16 поступает напряжение сети U(. по фиг. 2а (для рассмотрения работы устройства взято трехфазное напряжение сети).

Выходной сигнал синхронизатора 16 U поступает на вход схемы 17 формирования импульсов синхронизации, которая формирует короткие импульсы U< (фиг. 2б), совпадающие во времени с точками естественного зажигания. Эти же импульсы задерживаются на элементе задержки 18 йа величину с (выходной сигнал элемента задержки 18 0„ показан на фиг. 2в), выходной сигйал элемента. задержки 18 задерживается на величину на элементе задержки 19, выходной сигнал которого 0„5 показан на фиг. 2в. Величина(определяется временем передачи информации коммутирующими элементами на запоминающие устройства, и, следовательно,(очень мало по сравнению с периодом синхронизации То. Поэтому импульсы синхронизации О„т и задержанные импульсы

U u U приходят одновременно в мо„+> (фиг. 2).

В момент времени t. на коммутирую1 щий элемент 5 приходит импульс U g, который передает информацию на запоминающее устройство 9, выходной сигнал которого U показан на фиг.2д и который определяется следующим выражением:

U (,) - u,(t,) (2)

Сигнал 3а(с,.) представляет собой ступенчатый сигнал величина которого периодически изменяется с приходом следующего импульса синхронизации.

Выражение (2) с учетом (1) можно переписать в виде:

t1

u (t„) $ u„dt (3)

Соответственно для следующего интервала синхронизации выходной сигнал запоминающего устройства 9 определяется выражением: 1 \

U<(t<,„) - 5 U„dt (4) 8926 ,"а выход» сумматора 2 сигнал и пред-( ставляет собой разность выходных сигналов и- . гратора 4 и запоминающего устройства 9 (фиг. 1), т.е °

u>{t) = u4{t) — u9(t„) (5) для i-го интервала синхронизации (фиг. 2е), где t„ < t < t„- „ . С приходом импульса U a момейт времени на коммутирующий элемент 6 sanoминающее устройство 10 фиксирует уро- 1в вень сигнала Ug (если бы моменты прихода импульсов 0 7 и 019 совпадали, то времени на фиксацию не было бы), т.е.

U„ (t „+ ) = U>(t„+„) (6) или с учетом (6)

010 (t 41) = 04(tÄ „)-09(Й ) (7) для i+i-ro интервала синхронизации, а для i+2-ro — соответственно будет

010 {й „., ) =04{tj+g )-Ug(tqwq ) (8) 20 . Сигнал U q показан на фиг. 2-е. С учетом (2) выражения (7) и (8) можно переписать в виде

Uqp (tip )=04{t i a ) 0,((й; ) (9)

О а(е„., )=04(й1 )-04(й„ 1)(0)23

Сигналы с выхода интегратора 4 и с выхода запоминающего устройства 10 поступают на суммирующий усилитель

t4, который по каждому входу имеет свой коэффициент усиления. Выходной сигнал суммирующего. усилителя 14 0 определяется выражением

u (t) = «Iu4(t;. )- 04(„П ° Kgu4(t) (11) для i+1-го интервала синхронизации, т.е. t;+q (с 4 t ig

0 4 { ) К1 04{ 1+2, )

up{ t „ ) 3+ К 04 (т) (12) для i+2-го интервала синхронизации, т.е. t;+ < t i t„, где К 1 — коэф- 40 фициент усиления суммирующего усилителя 14 по входу, соединенному с выходом запоминающего устройства 10, K а — коэффициент усиления суммирующего усилителя 14 по входу, соединен- 45 ному с выходом интегратора 4 „

Сигнал 0 4 далее поступает на вход узла 13 токоограничения, который ограничивает поступающий на него сигнал или работает как усилитель с коэффициентом усиления равным единице в зависимости оТ величины ЭДС двигателя.

Сигнал U пропорциональный ЭДС, поступает на вход узла 13 токоограничения. Причем ЭДС двигателя такая, что узел 13 токоограничения работает как усилитель с коэффициентом равным единице, тогда ceo выходной сигнал

30 8

U„ равен его входному О „ или с учетом (11) и (12) получим (t) Kg(up(ti4q )

u4(t„)2+ K 04(t) {13) для i+i-го интервала синхронизации, U„> (t) = K f U4(t;«)

- u„(t„+„) . к 04(с) (14) для i+2-го интервала синхронизации.

С приходом импульса U g на коммутирующий элемент 7 в момент времени t„. „ последний передает информацию на запоминающее устройство 11, выходной сигнал которого U « (. 2®) определяется выражением о„„(„,„) = 0„,(t,„) (15)

Выходной сигйал 0> сумматора 3 определяется разностью выходных сигналов узла 13 токоограничения и запоминающего устройства 11, т.е.

О,() = U S(t) - 0„, (..,) (16) или с учетом (15) получим

u (t) -О „, (с) - u„ (с „,„) (17) для i+1-го интервала синхронизации, т.е. t< с t < tiq . Сигнал 0 „ показан на фиг. 2з.

С приходом импульса 0 9 на коммутирующий элемент 8 в момент времени t<, последний передает информацию на запоминающее устройство 12, выходной сигнал которого

u«(t „. ) = uz(t„> ) (18) или с учетом (17)

0 „ { ;.,) = U„ (t +,)-01Ъ(„.+ )(19)

Сигнал 0„ показан на фиг. 2з. Сигналы 01 и 01а поступают на суммирующий усилитель 15, имеющий коэффициент усиления К по входу, соединенному с выходом узла 13 токоограничения, и

К4 по входу, соединенному с выходом запоминающего устройства 12. Выходной сигнал суммирующего усилителя U определяется выражением

4 "10. { 1+2.)

+ К90 )g(t) (20) для i+2-го интервала синхронизации, т,е. t g t < t; y. Подставляя в выражение {20) вместо О„выражение (19) получаем

О „(t) = Kg(0 „> (t „i )- gÄ>(t„., ) к 0„,() (21)

Подставим в )21) вместо Uq9 {t) выражение (14), дающее значение )U„(t) для 1+2-го интервала синхронизации;

:вместо U„ (t„, ) подставим выражение (14), положив в нем

1б1 вместо u, („ „) подставим выражение (13), положив в нем t = ti, и, подставив в выражения (13) и (14) вмес25 (28) ц

Формула изобретения

9 89263 то 04 выражение (1) получаем для выходного сигнала устройства íà 1+2"ì интервале синхронизации (фиг. 2) с;„

"К() М"1" (К КЪ ККк Н5о "-5"">

Ь t +) Ь (),.(|, - 5о, 5u„at, о о о

1Ю

Как видно из выражения (22), в выходном сигнале устройства; присутствуют три составляющих: интегральная составляющая

1 !3

U„„= к к ) 11„ .(г3) о пропорциональная составляющая 1 2 t if

Uz>-— (K,ê,.ê,K)(5 U„dt-5 U dt) (гЫ аа о о " / дифференциальная составляющая

Ф1к.( о*ив КаКт (отот 1 11

- г 1 Udt+ S Udt) (25) o " о

Таким образом, устройство работает как "ПИД"„ регулятор. Сигналы U u

Ц „ф представляют собой постоянные сигналы на интервале синхронизации, т.е.

dUno 0 d Ukase p (26)

dt dt

Следовательно фактор пульсации по этим составляющим также равен нулю, т.е.

F-=0 (27)

Для интегральной составляющей О„т 1иит ннт 46

dt

Ф О но обычно в системах электропривода с вентильным преобрааователем КК и К1 такие, что

dUé невелико

Кт и, следовательно, F О.

В системах вентильного электропривода при использовании положительной обратной связи по ЭДС двигателя регулятор, расположенный в главном Е канале управления, задает ток двигателя. Тогда, чтобй система была инвариантной к нагрузке, необходимо сигнал, пропорциональный нагрузке, подать на вход вентильного преобразователя через "ПД" — регулятор, который компенсирует инерционность якорной цепи двигателя. Если на суммируюО 10 щий усилитель 14 рассматриваемого устройства подают сигнал U, который пропорционален нагрузке (статическому моменту, току), то выходной сигнал устройства (обозначаем его в этом случае 0„ ) относительно входа суммирующего усилителя, на который поступает сигнал U6, определяется выражением: () = К "ь(t) +

+ 4 06(1 () "ь (т)) (29) которое содержит пропорциональную и дифференциальную (численная разность) составляющие сигнала U6. Таким образом, р ассматриваемое устройство относительно любого входа суммирующего усилителя 14, работает как "ПД" — . регулятор, что позволяет строить системы электропривода с вентильным преобразователем инвариантные к нагрузке.

Для ограничения тока двигателя той же системы в динамических режимах достаточно ограничить сигнал управления вентильного преобразователя.

Если ограничить непосредственно входной сигнал вентильного преобразователя в соответствии с характеристикой двигателя — максимальный ток двигателя (1)„д„) в функции скорос" "d1, ти (и), причем — аа- не равно нулю, то ток в цепи якоря двигателя будет отличаться во времени от задаваемо1о из-за наличия индуктивности в цепи якоря, что снижает быстродействие системы и не позволяет точно задать ускорения электропривода.

Если ограничить сигнал в контуре регулирования непосредственно на входе устройства, компенсирующего инерцию якорной цепи, т.е. на входе

"ПД" — регулятора, то все недостатки устраняются. В рассматриваемом устройстве узел 13 токоограничения размещен во входной цепи "ПД" — регулятора (фиг. 1). Таким образом, рассматриваемое устройство управления электроприводом имеет более широкие функциональ- ные возможности по сравнению с известным.

Устрбйство для управления электроприводом, содержащее интегратор, выход которого соединен непосредствен892630

l2 но с одним иэ входов первого сумматора и через первый коммутирующий элемент и первое запоминающее устройство с другим входом этого же сумматора, вход второго запоминающего устройства через второй коммутирующий элемент соединен с выходом первого сумматора, и второй сумматор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей, дополнительно введены первый и второй суммирующие усилители, третий и четвертый коммутирующие элементы, третий и четвертый запоминающие устройства, синхронизатор фазосмещающего устройства. преобразователя, схема формирования импульсов синхронизации, два элемента задержки, узел токоограничения, один из входов первого суммирующего усилителя соединен с выходом интегратора, а другой — с выходом второго запоминающего устройства, вход узла токоограничения соединен с выходом первого суммирующего усили" теля, а выход соединен с одним из входов второго сумматора, с одним из входов второго суммирующего усилителя и через третий коммутирующий элемент и третье запоминающее устройство с другим входом второго сумматора, выход которого через четвертый коммутирующий элемент и четвертое запоминающее устройство соединен с

s другим входом второго суммирующего усилителя, а выход последнего является выходом устройства управления, выход синхронизатора фазосдвигающего устройства преобразователя соединен

16 со входом схемы формирования импульсов синхронизации, выход которой соединен с цепью управления вторым коммутирующим элементом и через первый элемент задержки с цепью управления

Н четвертым коммутирующим элементом, выход первого элемента задержки соединен также со входом второго элемента задержки, выход которого соединен с цепями управления первого и треть36 era коммутирующих элементов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Цыпкин Я.3. Основы теории автоматических систем. й.,"Наука",1977.

2. Авторское свидетельство СССР

rio заявке И 2433381/18-24, кл 6 06 G 7/60 1977.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2547207, З6 кл. G 06 G 7/12, 1978.