СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ Российский патент 1994 года по МПК F16H61/46 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к управлению приводом машины.

Известный способ управления электрогидромеханическим приводом, реализованный в гидромеханической передаче, в которой второй дифференциальный механизм снабжен вторым двигателем и его боковое звено соединено с второй объемной гидравлической машиной, причем обе гидравлические машины связаны между собой (авт. св. СССР N 612084, кл. F 16 H 47/04, 1976).

Недостатком этого способа является то, что он не учитывает закона изменения приводного вала машины, зависящего от геометрических, массовых, кинематических характеристик машины в целом, а также от механической характеристики выполняемой операции технологического процесса. В связи с этим известный способ не связывает регулируемые параметры привода машины (закон изменения приводного момента, скорости, мощности) с законом изменения силы технологического сопротивления, ее мощности и скорости рабочего органа.

Цель изобретения - повышение точности и надежности за счет снижения динамических нагрузок.

Для машин с одной степенью подвижности управляющая программа по силе (крутящему моменту) может быть представлена в виде
Mдп

= Mcп+ J_пω·ω¹+ J, (1) где M_п^д - приведенный крутящий момент на валу приводного двигателя;
ω′= d ω/d ϕ- аналог углового обобщенного ускорения;
J_п′= dJ_п/d ϕ- производная от приведенного момента по ϕ.

Управление (1) определяет закон изменения крутящего момента на валу приводного двигателя в случае, если задан закон изменения его угловой скорости ωв функции обобщенной координаты ϕ. При этом закон изменения ωдолжен учитывать взаимосвязь между массово-геометрическими характеристиками передаточных и исполнительных механизмов машины. Эта взаимосвязь может быть выявлена следующим образом. Предположим, что М_п^д= М_п^с - это означает, что крутящий момент на валу двигателя изменяется по закону, являющему зеркальным отражением закона М_п^с, т. е. М_п^д компенсирует только момент от сил сопротивления М_п^с. В этом случае скорость ωвала приводного двигателя определяется из выражения
J_п·ω·ω¹+J1п

· = 0. (2)
Преобразование уравнения (2) дает возможность выразить зависимость между ωи массово-геометрическими характеристиками машины следующим образом
ωJ_пω¹= -J.

Разделив левую и правую части последнего уравнения на J, получим
J_п·ω¹= -J
или
J = · .

Предположив, что в дальнейшем каждому значению ϕ будет соответствовать значения J_п и ω, умножим левую и правую части последнего уравнения на d ϕ, получим
J_пdω = - dJ_п
или
= - .

Интегрирование левой и правой частей уравнения дает
l_п= l_п или = , (3) где ω_ϕи J_п^ϕ- значения ωи J_п, соответствующие некоторому определенному углу ϕ.

Из уравнения (3) получаем
ω = ω_ϕ. (4)
Уравнение (4) имеет следующий физический смысл. Если умножить левую и правую часть этого уравнения на 1/2 и возвести в квадрат, получим
ω²= ω2ϕ

или
= .

Последнее равенство - выражение, определяющее равенство кинетической энергии системы при различных ϕ и соответствующее этим углам ω и J_п при равенстве М_п^д и М_п^с. Другими словами, кинетическая энергия (J_п^ϕ ω_ϕ²)/2 в каком-то фиксированном значении ϕостается неизменной для любых значений текущих ϕ.

При переменной величине J_п= f( ϕ) уравнение (4) указывает на неравномерность вращения главного приводного вала, обусловленную "внутренней динамикой" машины, т. е. массово-геометрическими характеристиками ее исполнительных и передаточных механизмов. Таким образом, уравнение (4) описывает закон изменения обобщенной скорости машины, присущий ей и неизменный при отсутствии движущих сил, сопротивления, трения и др. В связи с этим управление переходными процессами (разгон, торможение) требует не только выбора (назначения) закона изменения обобщенной скорости от начального до конечного значений, но и учета указанной закономерности, так как наличие "собственной" скорости машины, описанной выражением (4), в значительной степени влияет на динамическую нагруженность вала приводного двигателя, в данном случае гидродвигателя. Таким образом ω, входящая в уравнение (1), должна быть представлена в виде (с учетом уравнения (4)
ω = ω_зад+ω_ϕ. (5)
Напряжение, подаваемое на корректирующий электродвигатель постоянного тока, в электрогидромеханическом приводе машины определяется из равенства мощностей, которое имеет вид
UI = P_{гидравл}= Mдп

·ω
или
UI = Q·η·ΔP= Mдп·ω. при этом значение заданного перепада давления на гидродвигателе определяется выражением, которое имеет вид
ΔP = , (6) где М_п^д - приведенный крутящий момент на валу гидродвигателя, определяемый по выражению (1);
ω- скорость вращения вала гидродвигателя, определяемая по выражению (5);
Q - идеальный расход жидкости через гидродвигатель за один оборот; η- общий КПД гидродвигателя.

С учетом зависимости (6) значение подаваемого напряжения на корректирующий электродвигатель определяется выражением
U = , где U - напряжение, подаваемое на электродвигатель;
I - ток, потребляемый двигателем.

Таким образом, закон изменения напряжения, подаваемого на двигатель постоянного тока, учитывает динамические характеристики машины, в частности изменения приведенного момента инерции, при использовании в ней механизмов с переменным передаточным отношением и динамические характеристики гидропри- вода.

Машина, на примере которой объясняется сущность способа управления, представлена на фиг. 1, где приведена схема машины с электрогидромеханическим приводом, включающим исполнительный механизм (кривошипно-ползунный) с подвижными звеньями: кривошип 1, шатун 2, ползун 3, регулируемый гидродвигатель 4 и регулируемый насос 5 гидрообъемной передачи 6. Гидродвигатель 4 связан с кривошипом 1, а насосу 5 передается вращение от двигателя 7 через дифференциальный механизм 8. С насосом 5 связан также корректирующий электродвигатель 9, через дифференциальный механизм 8.

Взаимосвязь силовых, скоростных и массово-геометрических характеристик машины может быть выражена уравнением:
Mдп

= JIпω·ω¹+JIп^Iωω¹+J. (7)
В уравнении (7) принято М_п^с= 0, J_п^I= const и определяет кинетическую энергию всех масс подвижных звеньев механизмов машины, имеющих постоянное передаточное отношение; J_п^II учитывает изменение кинетической энергии подвижных звеньев механизмов машины и является функцией обобщенной координаты ϕ, т. е. JIп+JIп^I= J_п.

Для рассматриваемого примера значение приведенного момента инерции, определяемое из равенства кинетических энергий, имеет вид
J_п= J+ Σ Tiд

_иф.мех+J₁+J+J+
+ J_г.п.+m+m= JIп+JIп^I, (8) где
JIп= J+ Tiд_иф.мех.+J₁+J_дв+J_г.п.;
JIп^I= J()+m₂[(x)²+(y)²] +m₃(x)²;
J_г.п. - момент инерции подвижных звеньев гидропередачи;
J_дв - момент инерции движущихся частей основного двигателя;
J_р.эл - момент инерции ротора корректирующего электродвигателя;
Тⁱ_{диф.мех} - кинетическая энергия i-го элемента дифференциального механизма.

Индексы в приведенных уравнениях соответствуют обозначениям звеньев на фиг. 1.

В последнем уравнении
ϕ12

= = .

Аналогично
x13

= = .

Используя аналогичные преобразования, имеем
= x+y.

Производная J_п по обобщенной координате имеет вид
= 2J+2mxx+yy+2m₃xI3

xI3^I (9)
Как видно, уравнения (8) и (9) есть функции обобщенной координаты и отображают внутреннюю динамику машины (фиг. 1)
Графики функции J_п^I и J_п = J_п^I + J_п^II представлены на фиг. 2.

На фиг. 3 изображен график зависимости J_п′ от ϕ.

Пусть требуется разогнать машину, изменив ее обобщенную скорость от нуля до ω_ср (средняя скорость установившегося движения) по линейному закону
ω = ϕ, (10) где ϕ_р - угол разгона (угол за который происходит изменение от нуля до ω_ср).

Зависимость (10), представленная на фиг. 4, позволяет построить зависимость отдельных составляющих формулы (7), которые дают возможность видеть раздельное влияние массово-геометрических и кинематических характеристик машины на динамическую нагруженность приводного вала.

На фиг. 5 показаны графики зависимости отдельных составляющих, входящих в уравнение (7), на фиг. 6 - зависимость М_п^д от ϕ, т. е. сумма составляющих, изображенных на фиг. 6, за время разгона по закону, соответствующему выражению (10). Из фиг. 5 видно, что наибольшее влияние на неравномерность движения оказывают функции J_п^II(ϕ) и J_п^II (ϕ).

Рассматриваемый пример указывает на то, что закон изменения скорости в процессе разгона должен выбираться с учетом функций J_п и J_п^lтаким образом, чтобы значение крутящего момента на приводном валу машины не выходило за пределы некоторых значений M^д_пmax и M^д_пmin. При этом выбор закона изменения ωв функции ϕдолжен учитывать массово-геометрические характеристики исполнительных и передаточных механизмов машины. Это сводится к тому, чтобы увеличение (уменьшение) значений М_п^д, обусловленное изменением J_п и J_п^l, компенсировалось уменьшением (увеличением) М^д_п за счет изменения ωи ω^l.

Закон изменения скорости определяется уравнениями управления (3) и (8) и может быть представлен в виде
ω = +ω_ϕ. (11)
Выражение (11) учитывает, с одной стороны, рост скорости по закону, определенному зависимостью (10), а с другой стороны, необходимость изменения скорости в процессе разгона по закону, определенному уравнением (7).

Преимущества такого закона изменения скорости видны из следующих соображений. Как видно из уравнения (7) и графиков (фиг. 5) первая составляющая M_п^д(J_п′˙ω˙ω′)представляет собой уравнение прямой в случае, если ωизменяется по закону, соответствующему формуле (10). В случае же если скорость изменяется по закону, описанному уравнением (11), первая составляющая уравнения (7) М_п^д будет переменной. Изменяются также вторая и третья составляющие М_п^д (см. уравнение 7). При этом суммарное значение М_п^д будет составлять другую функцию в сравнении с фиг. 6.

Предлагаемый способ программного управления дает возможность определить значения крутящего момента на приводном валу машины по формуле (1) с учетом (11). Это дает возможность определить допустимые М_п^д и выбрать тем самым величину ϕ_р, в пределах которой значения М_п^достаются в требуемых диапазонах. Выбор ϕ_р связан с временем разгона, т. е. производительностью машины. Время разгона может быть определено
t_p= . (12)
В выражении (12) значение ωвыбирается из выражения (11).

Предлагаемый способ управления электрогидромеханическим приводом машины может быть реализован с помощью системы управления, включающей вычислительное устройство.

На фиг. 7 дана структурная схема системы управления, реализующая описанный способ управления электрогидромеханическим приводом машины. Система управления состоит из вычислителя 1, регулятора 2, корректирующего двигателя 3 постоянного тока, связанного с регулируемым насосом через дифференциальный механизм (дифференциальный механизм и основной привод насоса не показаны), гидродвигателя 4, датчика 5 угла поворота главного приводного вала Д 1, датчика 6 крутящего момента на главном приводном валу Д 2, датчика 7 перепада давления на гидродвигателе Д3, источник 8 постоянного напряжения 8, пульт управления 9.

Вычислитель 1 на основании сигналов с датчиков Д1 и Д2 формируют сигнал U_з, пропорциональный величине напряжения, подаваемого от источника 8 постоянного напряжения через регулятор 2 на корректирующий двигатель 3 постоянного тока
U_з= KU_з, где U_з - сигнал управления, вырабатываемый вычислителем 1;
К - коэффициент пропорциональности (усиления);
U_з - напряжение, подаваемое на корректирующий двигатель 3.

Датчики Д1 5 и Д2 6 механически связаны с главным приводным валом машины и вырабатывают сигналы, пропорциональные углу поворота и крутящему моменту соответственно. Датчик Д3 7 связан с напорной и сливной магистралями гидродвигателя 4 главного приводного вала машины и вырабатывает сигнал, пропорциональный перепаду давления на гидродвигателе. Пуль управления 9 предназначен для включения-отключения привода машины.

На фиг. 8 дана структурная схема вычислителя 1.

В блоке 10 вычисляется значение угловой скорости ωпо формуле (9), т. е.

ω = f₁(ϕ) = +ω_ϕ.

В блоке 11 вычисляется значение приведенного момента сопротивления М_п^с как функция угла поворота ϕприводного вала машины. Эта зависимость является заданной для каждой технологической операции.

В блоке 12 вычисляется значение приведенного момента инерции
J_п= JIп

+JIп^I.

В блоках 10-12 вычисления величин производится на основании сигнала с датчика угла поворота Д1 5 главного приводного вала машины.

В блоках 13 и 14 вычисляются соответственно производные от угловой скорости ω, вычисленной в блоке 10, и приведенного момента инерции, вычисленного в блоке 12, по углу поворота главного приводного вала машины ϕ.

В блоке 15 вычисляется значение заданного приведенного движущего момента инерции М^д_пз по формуле
Mдп

_з= Mcп+J_п ω + , где все составляющие правую часть этого уравнения есть значения, вычисленные в блоках 10-14.

Вычисленная величина М^д_пз в блоке 16 сравнивается с сигналом, поступающим с датчика Д2 6 действительного момента на приведенном валу машины М^д_пд, находится их разность ΔМ_п^д
ΔMдп

= Mдп_з-Mдп_д.

В блоке 17 вычисляется расчетное значение приведенного момента
Mдп

_р= Mдп_з+ΔMдп.

В блоке 18 вычисляется значение заданного перепада давления на гидродвигателе по формуле
ΔP_з= Mдп

_р·ω/Qη, где все составляющие есть значения, вычисленные в блоках 10 и 17, а также дополнительно заложены характеристики гидродвигателя;
Q - идеальный расход жидкости через гидродвигатель за один оборот;
η- общий КПД гидродвигателя.

Вычисленная величина ΔР_з в блоке 19 сравнивается с сигналом, поступающим с датчика Д3 7 действительного перепада давления на гидродвигатель ΔР_д, и находится их разность
ΔР= Δ Р_з-Δ Р_д.

В блоке 20 вычисляется расчетное значение перепада давления
ΔР_р= ΔР_з+Δ Р.

И затем в блоке 21 вычисляется значение Uз управляющего сигнала
U_з= .

Система управления электрогидромеханическим приводом машины работает следующим образом.

В начальном положении система управления обесточена, т. е. напряжение U_пит и U_пост равны нулю. Двигатель 3 не вращается. С пульта управления 9 включается источник 8 постоянного напряжения. На вычислитель 1 приходит питающее напряжение. Сигнал с датчика Д1 5 поступает в вычислитель 1. На основании этого сигнала в вычислителе 1 определяется значение М^д_пз. В том случае, если ϕ_нач= 0
ω = ω_ср. Если ϕ_нач ≠0
ω = ϕ_нач+ω_ϕ. т. е. в любом случае ω, вычисленное в блоке 10, не равно нулю.

Значение вычислительного М^д_пз сравнивается со значением М^д_пд, поступающим в виде сигнала с датчика Д2 6. В начальный момент М^д_пд= 0 поэтому ΔМ_п^д= М^д_пз.

По значению ω, полученному в блоке 10, и полученному в блоке 17 значению ΔМ^д_пр определяется значение заданного перепада давления на гидродвигателя ΔР_з, которое сравнивается с ΔР_д, поступающим в виде сигнала с датчика Д3 7. В начальный момент ΔР_д ≠0, т. к. работает основной привод насоса, поэтому имеется их разность ΔР= ΔР_з- ΔР_д, которая позволяет получить расчетное значение перепада давления ΔР_р= ΔР_з+ ΔР.

В связи с этим на выходе вычислителя в начальный момент появляется сигнал
U_з= .

Этот сигнал поступает на вход регулятора 2, который непосредственно управляет напряжением U_з, подаваемым на корректирующий двигатель 3. Таким образом в начальный момент на двигатель 3 подается напряжение
U_з.нач= К ˙U_з.нач, которое заставляет двигатель вращаться. Вращение от корректирующего двигателя 3 через дифференциальный механизм передается к насосу, что приводит к изменению характеристик на гидродвигателе, и соответственно к изменению сигналов с датчиков Д1 5, Д2 6, Д3 7. Эти сигналы поступают в вычислитель 1, который вырабатывает новое значение U_з, соответствующее сигналам с датчиков.

Обратная связь по крутящему моменту позволяет стабилизировать действительный приведенный крутящий момент М^д_пд на уровне заданного М^д_пз.

Использование данного способа управления приводом машины обеспечивает уменьшение динамической нагруженности на главный приводной вал машины, позволяет снизить энергоемкость и металлоемкость проектируемых машин, повысить точность и надежность привода.

Использование: в гидроавтоматике, в частности в приводах строительных, дорожных и сельскохозяйственных машин. Сущность: сигнал с датчика 5 поступает в вычислитель 1, в котором определяется значение заданного приведенного крутящего момента, которое сравнивается со значением сигнала датчика 6. По значению угловой скорости вала гидродвигателя 4 и значению приведенного крутящего момента на валу гидродвигателя 4 определяется значение заданного перепада давления на гидродвигателе 4, которое сравнивается с значением сигнала датчика 7. На выходе вычислителя 1 формируется сигнал, который непосредственно управляет напряжением постоянного тока, которое подается на электродвигатель пульт управления 9. Вращение последнего через дифференциальный редуктор 8 передается насосу. В дальнейшем при изменении сигналов датчиков 5 - 7 изменяется напряжение, подаваемое на электродвигатель 9. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ, при котором приводной двигатель осуществляет разгон до достижения средней скорости установившегося движения за временной период, продолжительность которого задают исходя из допустимых динамических нагрузок на выходном валу гидродвигателя путем изменения приводной мощности регулируемого насоса, подающего рабочую жидкость в полости гидродвигателя и приводимого во вращение с помощью дифференциального редуктора, два вала которого приводятся во вращение электродвигателями, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности за счет снижения динамических нагрузок, измеряют и сравнивают с расчетными значениями перепад давления в полостях гидродвигателя, а также угол поворота и крутящий момент на валу гидродвигателя, а для изменения приводной мощности насоса, при наличии рассогласования расчетных и измеренных значений, питание одного из электродвигателей осуществляют постоянным током с регулируемой величиной напряжения, значение которой определяют из соотношения
U = , ,
где Q - идеальный удельный объем гидродвигателя;
η - общий КПД гидродвигателя;
I - сила постоянного тока;
ΔP_pасч - расчетное значение перепада давления, определяемое из соотношения
ΔP_расч = , ,
где M_п^д - приведенный крутящий момент на валу гидродвигателя, определяемый из соотношения
Mдп

= Mcп+ J_пω + , ,
где M_п^с - приведенный момент сопротивления;
J_п - приведенный момент инерции;
ϕ - угол поворота вала гидродвигателя;
ω - расчетная частота вращения вала гидродвигателя, определяемая из соотношения
ω = ω_зад+ ω₄, ,
где ω_ϕ , J_п^ϕ - частота вращения и приведенный момент инерции, определяемые углом ϕ поворота вала гидродвигателя. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что питание другого электродвигателя осуществляют переменным током с постоянной амплитудой напряжения.