УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ФРИКЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ Российский патент 1997 года по МПК H02P5/06 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электроприводами постоянного тока с фрикционной нагрузкой.

Известны устройства для управления электроприводами с фрикционной нагрузкой, содержащие датчики тока якоря и угловых ускорений электродвигателя и суммирующий усилитель (Яворский В.Н. Макшанов В.И. Ермолин В.Н. Проектирование нелинейных следящих систем. М. Энергия, 1978, с. 16 17. А.с. N 376751 (СССР). Следящая система /Семенов К.Е. и др. Опубл. в БИ 1973, N 17, кл. G 05 B 11/01. А. с. N 601658 (СССР). Система компенсации нагрузки на валу электродвигателя. Новиков В. А. Михальчонок Г.Ф. Осипов Л.Н. Опубл. в БИ 1978, N 13, кл. G 05 B 5/10). Использование этих устройств позволяет осуществить регулирование скорости по возмущающему моменту. Однако при наличии на валу двигателя фрикционной нелинейной нагрузки такие устройства не обеспечивают высокого качества регулирования в широком диапазоне изменений скорости и переменном момента сил трения, что объясняется нелинейной зависимостью момента нагрузки М_с от скорости Ω электродвигателя (фиг. 1). При малых скоростях в электроприводе образуется положительная обратная связь, что ухудшает его устойчивость, а при больших отрицательная, которая снижает быстродействие (см. например, Комлев В.П. Евстигнеева А.А. 0малафеев С.И. Исследование модели электропривода постоянного тока с нагрузкой типа "сухое трение". -Изв. вузов СССР. Приборостроение, 1983, N7 с. 33 36. Андрющенко В.А. Следящие системы автоматизированного сборочного оборудования. Л. Машиностроение, 1979, 246 с.).

Таким образом, недостаток известных устройств состоит в том, что они не обеспечивают высокое качество регулирования в широком диапазоне изменений скорости и переменном моменте сил трения.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления электроприводом с фрикционной нагрузкой, содержащее первый алгебраический сумматор, суммирующий вход которого является входом устройства и предназначен для подключения к задатчику скорости, вычитающий вход предназначен для подключения к датчику скорости, а выход через регулятор скорости подключен к первому суммирующему входу второго алгебраического сумматора, второй суммирующий вход которого предназначен для подключения датчика тока, а выход соединен с регулятором тока, выход которого служит выходом устройства, нелинейный блок типа "сухое трение", выход которого связан с третьим входом второго алгебраического сумматора, и блок логики, первый вход которого соединен с входом устройства, второй вход объединен с вычитающим входом первого алгебраического сумматора, а выход соединен с входом нелинейного блока (а.с. N 1513607 (СССР). Устройство для управления скоростью электропривода с компенсацией момента сухого трения. Басалаев Д.А. Белоруков Г.С. Постников Ю.Б. и др. Опубл. в БИ, 1989, N 37, кл. H 02 P 5/06). В этом устройстве при разгоне двигателя подается напряжение, увеличивающее ток якоря для создания дополнительного момента, равного моменту сухого трения, а при торможении уменьшающее ток якоря на такую же величину, чем достигается компенсация момента сухого трения, обеспечивающая повышение точности управления скоростью электропривода. Известное устройство не обеспечивает высокого качества регулирования при наличии сложной фрикционной нагрузки с переменным моментом сил трения, так как в этом случае при малых скоростях в электроприводе образуется положительная обратная связь по скорости, которая снижает устойчивость привода, а при больших отрицательная, снижающая быстродействие. Если параметры компенсирующей цепи выбраны таким образом, что обеспечивают заданные показатели качества при малых скоростях, то при больших скоростях привод обладает низким быстродействием. Если параметры компенсирующей цепи выбраны так, что обеспечивают заданные показатели качества при больших скоростях, то при малых увеличивается перерегулирование и колебательность в переходных режимах и возможно нарушение устойчивости.

Следовательно, недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокое качество регулирования скорости электропривода в широком диапазоне ее изменения и переменном моменте сил трения.

Цель изобретения повышение качества регулирования скорости электропривода при широком диапазоне ее изменения и переменном моменте сил трения.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для управления электроприводом, содержащее первый алгебраический сумматор, суммирующий вход которого является входом устройства и предназначен для подключения к задатчику скорости, а выход через регулятор скорости подключен к первому суммирующему входу второго алгебраического сумматора, второй суммирующий вход которого предназначен для подключения датчика тока, а выход соединен с регулятором тока, выход которого служит выходом устройства, дополнительно введены блок дифференцирования, перемножитель и нелинейный элемент с характеристикой

вход которого объединен с входом блока дифференцирования и предназначен для подключения к выходу датчика скорости, а выход подключен к одному из выходов перемножителя, второй вход которого связан с выходом блока дифференцирования, а выход подключен к вычитающему входу второго алгебраического сумматора.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением заявленное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
блок дифференцирования;
перемножитель,
нелинейный элемент с характеристикой

Следовательно, заявляемое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предполагаемого изобретения повышается качество регулирования скорости в широком диапазоне ее изменения при переменном моменте сил трения.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники и автоматизированного электропривода.

Известен блок дифференцирования в электроприводе постоянного тока (см. например, Следящие приводы. Под ред. Б.К.Чемоданова, кн. 2 М. Энергия, 1976, с. 27 40). Блоки дифференцирования в известном и предлагаемом приводах предназначены для формирования корректирующих сигналов и выполняют идентичные функции.

Известен перемножитель (а.с. СССР N 1695479, кл. H 02 P 5/06, 1991). В известном устройстве блок перемножения выполняет формирование сигнала, пропорционального мощности, путем умножения сигналов, пропорциональных току и напряжению. В предлагаемом устройстве блок перемножения формирует сигнал, пропорциональный произведению производной от скорости и выходного сигнала нелинейного элемента, т.е. предназначен для изменения величины корректирующего сигнала, пропорционального производной от скорости, в зависимости от скорости электродвигателя.

Нелинейные элементы с характеристикой

в известных устройствах аналогично назначения не обнаружены.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для управления электроприводом с фрикционной нагрузкой.

Устройство содержит первый алгебраический сумматор 1, регулятор скорости 2, блок дифференцирования 3, нелинейный элемент 4, второй алгебраический сумматор 5, перемножитель 6, регулятор тока 7. В устройстве для управления электроприводом с фрикционной нагрузкой суммирующий вход первого алгебраического сумматора 1 является входом устройства и предназначен для подключения к задатчику скорости, вычитающий вход предназначен для подключения к датчику скорости, а выход через регулятор скорости 2 подключен к первому суммирующему входу второго алгебраического сумматора 5, второй суммирующий вход которого предназначен для подключения датчика тока, а выход соединен с регулятором тока 7, выход которого служит выходом устройства, вход нелинейного элемента 4 с характеристикой

объединен с входом блока дифференцирования 3 и предназначен для подключения к выходу датчика скорости, а выход подключен к одному из входов перемножителя 6, второй вход которого соединен с выходом блока дифференцирования, а выход подключен к вычитающему входу второго алгебраического сумматора.

На фиг. 2 приведена статическая характеристика нелинейного элемента 4. На фиг. 2 показана статическая зависимость момента фрикционной нагрузки от скорости Ω: M_c=M_c(Ω).
Устройство для управления электроприводом с фрикционной нагрузкой работает следующим образом. Ток двигателя измеряется датчиком тока, например шунтом, сигнал U_д.т с выхода которого поступает на вход второго алгебраического сумматора 5. Скорость двигателя измеряется датчиком скорости, например тахогенератором, сигнал U_д.с с выхода которого поступает на вычитающий вход первого алгебраического сумматора 1 и объединенные входы блока дифференцирования 3 и нелинейного элемента 4. Выходной сигнал блока дифференцирования 3, пропорциональный угловому ускорению ротора двигателя

где K_с коэффициент передачи датчика скорости;
K₃ коэффициент передачи блока дифференцирования 3;
поступает на первый вход перемножителя 6, на втором входе которого действует выходной сигнал нелинейного элемента 4

В результате на выходе перемножителя 6 формируется сигнал

Следовательно, на вычитающий вход второго алгебраического сумматора 5 с выхода перемножителя 6 поступает сигнал U₆, пропорциональный угловому ускорению двигателя, изменяющийся по амплитуде в зависимости от скорости; т.е. большой по амплитуде при малых скоростях и меньшей по амплитуде при больших скоростях.

Фрикционная нагрузка, характеристика которой приведена на фиг. 3, приводит к образованию в электропроводе внутренней обратной связи по скорости (Комлев В. П. Евстигнеева А.А. Малафеев С.И. Исследование модели электропривода постоянного тока с нагрузкой типа "сухое трение". Изв. вузов СССР. Приборостроение, 1983, N 7, с. 33 36). Особенность этой обратной связи состоит в том, что коэффициент этой связи

имеет разные знаки при разных скоростях. Это означает, что при малых скоростях обратная связь по скорости, обусловленная фрикционной нагрузкой, положительная, а при больших скоростях отрицательная. Положительная обратная связь по скорости при приводит к потере устойчивости электропривода, а отрицательная при к снижению динамических характеристик системы.

В устройстве для управления электроприводом с фрикционной нагрузкой обеспечивается компенсация внутренней обратной связи по скорости, обусловленной трением как в установившихся, так и в переходных режимах. В установившемся режиме, т. е. при неизменной скорости, в электроприводе действует положительная обратная связь по току, которая пропорциональна статическому моменту нагрузки. Таким образом в электроприводе осуществляется комбинированное регулирование скорости и, следовательно, обеспечивается высокая точность системы. В динамических режимах отрицательная обратная связь по производной от скорости с выхода перемножителя 6 обеспечивает частичную компенсацию нелинейной обратной связи, обусловленной фрикционной нагрузкой. При малых скоростях сильная отрицательная обратная связь по априорно производной от скорости имеет величину

и компенсирует внутреннюю положительную обратную связь, образованную нагрузкой, и обеспечивает устойчивую работу электропривода. При сигнал отрицательной обратной связи по производной от скорости

имеет небольшую величину и обеспечивает стабилизацию показателей качества регулирования во всем диапазоне изменения скорости.

С целью аналитического доказательства достижения цели изобретения - повышения качества регулирования скорости в широком диапазоне ее изменения при переменном моменте сил трения рассмотрим структурную схему электропривода, показанную на фиг. 4. На схеме обозначено:
U_з управляющее напряжение;
H_c(S) передаточная функция регулятора скорости;
БП блок перемножения;
H_т(S) регулятор тока;
БД блок дифференцирования с передаточной функцией S;
K_i коэффициент передачи датчика тока;
K_у коэффициент передачи усилителя мощности;
F₄=F₄(Ω) характеристика нелинейного элемента;
r и L активное сопротивление и индуктивность якорной обмотки двигателя;
C конструктивная постоянная двигателя;
K_Ω коэффициент передачи датчика скорости;
M_c статический момент нагрузки;
b = β(Ω) коэффициент передачи внутренней обратной связи по скорости, обусловленной трением;
J момент инерции вращающихся механических элементов, приведенных к валу двигателя.

Определим передаточные функции разомкнутого по скорости электропривода по скорости относительно выходного напряжения регулятора скорости и момента нагрузки (т. е. для части электропривода, обведенной пунктиром). При использовании пропорционального регулятора тока, т. е. H_т(S) K_т, они равны соответственно:


Если коэффициент K_i обратной связи по току выбрать равным

то передаточные функции (3) и (4) примут вид:


где
эквивалентная постоянная времени;
коэффициент затухания.

Анализ передаточной функции (5) по скорости относительно момента нагрузки показывает, что электропривод представляет собой последовательное соединение позиционного звена второго порядка и дифференцирующего звена. Это означает, что электропривод является инвариантным по отношению к статическому моменту нагрузки, т.е. в установившихся режимах статическая ошибка по моменту равна 0. Характер переходных процессов при изменении управляющего напряжения и момента нагрузки зависит от знаменателя передаточных функций H_и(S) и H_м(S). Так как выделенная пунктиром на фиг. 4 часть электропривода представляет собой в динамическом отношении звено второго порядка, то вид переходных процессов определяется постоянной времени T₀ и коэффициентом демпфирования ξ
При изменении скорости постоянная времени T₀ const, а коэффициент демпфирования изменяется в зависимости от b(Ω) Для обеспечения постоянного качества регулирования скорости необходимо, чтобы коэффициент демпфирования ξ сохраняя постоянное значение во всем диапазоне регулирования скорости, т.е.

Если выбрать с учетом (1) и (2) коэффициенты

то коэффициент демпфирования будет постоянным и равным x_o во всем диапазоне изменения скорости.

Таким образом, использование в известном устройстве для управления электроприводом с функционной нагрузкой блока дифференцирования, перемножения и нелинейного элемента с характеристикой
позволяет повысить качество регулирования скорости в широком диапазоне ее изменения при переменном моменте сил трения.

Использование предлагаемого технического решения в системах автоматизированного электропривода позволит повысить технические характеристики устройств.

Использование: для управления электроприводами постоянного тока с фрикционной нагрузкой. Сущность: устройство для управления электроприводом с фрикционной нагрузкой дополнительно содержит корректирующую нелинейную обратную связь по ускорению, величина которой меняется в зависимости от скорости, что позволяет повысить качество регулирования. 4 ил.

Устройство для управления электроприводом с фрикционной нагрузкой, содержащее первый алгебраический сумматор, суммирующий вход которого является входом устройства и предназначен для подключения к задатчику скорости, вычитающий вход предназначен для подключения к датчику скорости, а выход через регулятор скорости подключен к первому суммирующему входу второго алгебраического сумматора, второй суммирующий вход которого предназначен для подключения датчика тока, а выход соединен с регулятором тока, выход которого служит выходом устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок дифференцирования, перемножитель и нелинейный элемент с характеристикой

где a и b постоянные коэффициенты, вычисляемые по формулам


z_o заданный коэффициент демпфирования;
I момент инерции вращающихся механических элементов, приведенный к валу двигателя;
L индуктивность якорной обмотки двигателя;
C конструктивная постоянная двигателя;
K_т,K_у,K_Ω- коэффициенты передачи соответственно регулятора тока, усилителя мощности и датчика скорости;
b₁ и β₂- коэффициенты передачи внутренней обратной связи по скорости, обусловленной трением для малых и больших скоростей соответственно,
вход нелинейного элемента объединен с входом блока дифференцирования и предназначен для подключения к выходу датчика скорости, а выход подключен к одному из входов перемножителя, другой вход которого соединен с выходом блока дифференцирования, а выход подключен к вычитающему входу второго алгебраического сумматора.