МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2006 года по МПК H02P5/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к областям автоматизированного электропривода и преобразовательной техники.

Известен электропривод с полупроводниковым преобразователем и микропроцессорным блоком управления (МПБУ) [1], содержащий электродвигатель постоянного тока, тиристорный преобразователь, МПБУ, датчики регулируемых величин (тока, скорости двигателя и др.) и пульт управления. В МПБУ реализуются система импульсно-фазового регулирования угла управления тиристорного преобразователя, регуляторы тока и скорости, устройства раздельного управления комплектами тиристоров преобразователя и устройства защиты. В качестве датчика скорости используется тахогенератор, подключенный к МПБУ через АЦП.

Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон регулирования минимальной скорости двигателя, который имеет место из-за недостаточной точности измерения при помощи АЦП сигналов низкого уровня, например 1-10 мВ.

Известные микропроцессорные электроприводы с цифровыми датчиками положения (пути), выполненные с большим количеством импульсов на оборот, не имеют проблемы получения минимальной скорости вращения. Однако данный датчик положения представляет собой сложное и дорогостоящее электромеханическое устройство, выполненное на базе высокоточных оптических датчиков или резольверов с системой декодирования сигналов. Поэтому данные электроприводы не нашли широкого применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению и взятым за прототип является тиристорный электропривод по [2]. Функциональная схема данного электропривода приведена в [2] на стр.174. Здесь реверсивный тиристорный преобразователь ТП подключен к сети и двигателю постоянного тока М через датчик тока ДТ. МБПУ обеспечивает регулирование угла управления ТП, тока i и скорости двигателя n. Управление скоростью двигателя осуществляется от пульта, в качестве датчика скорости используется аналоговый тахогенератор BR, подключенный к микропроцессору через блок преобразования «напряжение-код» ПНК (или АЦП).

Недостаток прототипа заключается в ограниченном диапазоне регулирования минимальной скорости, обусловленной погрешностью блока ПНК при измерении малых сигналов, что ухудшает статические характеристики электропривода. Например, для стандартного тахогенератора типа ТП-80, имеющего выходное напряжение 20 В при скорости 1000 об/мин и погрешности ПНК в 10 мВ, ориентировочно имеем минимальное измеряемое напряжение тахогенератора с погрешностью 10%

.

Этому напряжению в данном примере соответствует предельная минимальная скорость двигателя

.

Ниже значения n_мин скорость не может регулироваться с требуемой точностью. Однако в системах широкорегулируемого электропривода требуются более низкие скорости, например n_мин=0,1 об/мин. Это принципиально невозможно получить в прототипе.

Технический результат заявляемого решения - улучшение статических и динамических характеристик электропривода.

Технический результат достигается тем, что в микропроцессорном электроприводе, содержащем полупроводниковый преобразователь, электродвигатель, тахогенератор, датчик тока, задатчик скорости, термодатчики и микропроцессорный блок управления, управляющие цепи полупроводникового преобразователя через блок согласующих элементов соединены с выходами микропроцессорного блока управления, программно реализующего систему подчиненного регулирования скорости электродвигателя с регуляторами тока и скорости, при этом последний выполнен двухзвенным и состоит из программного цифрового регулятора скорости, например ПИ-типа, содержащегося в микропроцессорном блоке управления, и внешнего аналогового регулятора, например П-типа, входы которого подключены к задатчику скорости и тахогенератору, а его выход соединен с входом АЦП микропроцессорного блока управления, выход которого соединен с входом цифрового регулятора скорости, выходной сигнал которого является заданием тока электропривода на входе регулятора тока.

В устройстве аналоговый регулятор скорости выполняется с цифровым программированием коэффициента усиления, который изменяется в зависимости от уровня скорости двигателя, при этом его цифровой вход соединен с соответствующим выходом микропроцессора.

Отличительной особенностью изобретения является то, что улучшение статических и динамических характеристик электропривода достигается за счет выполнения регулятора скорости двухзвенным блоком с цифровой и аналоговой частью. При этом цифровая часть расположена в микропроцессорном блоке управления и является программируемой, а аналоговая часть является внешним регулятором, где производится суммирование сигналов задатчика скорости и тахогенератора, а также цифровое программирование его коэффициента усиления.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения:

1 - полупроводниковый преобразовтель, выполняемый на тиристорах либо на транзисторах для приводов постоянного или переменного тока;

2 - датчик тока;

3 - электродвигатель постоянного или переменного тока;

4 - тахогенератор (аналоговый датчик скорости);

5 - блок согласующих элементов, например импульсных трансформаторов или оптронных элементов;

6 - микропроцессорный блок управления с аппаратной частью и программным обеспечением;

7 - программно-аппаратный узел системы управления преобразователем;

8 - программно-аппаратный цифровой регулятор тока, например пропорционально-интегрального (ПИ) типа;

9 - программно-аппаратный цифровой регулятор скорости, например ПИ-типа;

10 - АЦП (блок, состоящий из нескольких аналого-цифровых преобразователей);

11 - программно-аппаратный блок защиты;

12, 13 - термодатчики, встроенные в устройства 1, 3;

14 - аналоговый регулятор скорости, например пропорционального (П) типа, с программированием его коэффициента усиления. В качестве такого регулятора может быть использована микросхема LTC 6910-1;

15 - задатчик скорости, который может быть выполнен в виде потенциометра, либо цифрового пульта с устройством ЦАП на выходе;

U_З - задающий сигнал;

n, i - выходные сигналы соответственно тахогенератора 4 и датчика тока 2;

, - выходные сигналы датчиков температуры 12 и 13;

ΔU=(U_З-n)K₁ - выходной сигнал внешнего аналогового регулятора скорости 14 (K₁ - коэффициент усиления);

, - соответственно цифровые аналоги сигналов Δu и i;

0 - сигнал установки нуля скорости при U_З=0 для исключения дрейфа скорости.

В предлагаемом устройстве на выход полупроводникового преобразователя 1 подключен через датчик тока 2 электродвигатель 3, сочлененный с тахогенератором 4, управляющие цепи преобразователя 1 через блок согласующих элементов 5 подключены к выходам микропроцессорного блока управления 6 программно и аппаратно реализующего: систему управления преобразователем 7, регулятор тока 8, цифровой регулятор скорости 9, многовходовой аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 10 и блок защиты 11, на вход которого поступают сигналы с датчика тока 2, тахогенератора 4 и терморезисторов 12, 13 через АЦП 10, при этом первый вход АЦП 10 подключен к выходу аналогового регулятора 14, входы которого соединены с тахогенератором 4 и задатчиком скорости 15, цифровой вход регулятора 14 подключен к соответствующему выходу микропроцессорного блока управления 6.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

На вход аналогового регулятора скорости 14 с задатчика скорости 15 поступает задающий сигнал, величина и полярность которого определяют уровень скорости и направление вращения двигателя 3. Выходной сигнал Δu регулятора 14 поступает на первый вход АЦП 10, преобразуется в цифровую форму и программно передается в цифровой регулятор скорости 9. Выходной сигнал регулятора скорости 9 является заданием тока двигателя для цифрового регулятора тока 8, на который также поступает сигнал обратной связи по току через АЦП. Выходной сигнал регулятора тока 8 определяет регулирующие параметры выходных импульсов системы управления 7. При этом если преобразователь 1 представляет собой управляемый выпрямитель, то выходной сигнал регулятора тока 8 определяет угол регулирования α и соответствующий комплект тиристоров («вперед» или «назад». Если блок 1 представляет собой широтно-импульсный преобразователь, то выходной сигнал регулятора тока 8 определяет скважность импульсов управления. В целом микропроцессорный блок управления 6 выполняет функции системы регулирования основных величин электропривода (n, i и др.), устройства импульсного управления преобразователем и устройства защиты от аварийных режимов. Последняя функция выполняется за счет введения сигналов основных датчиков 2, 4, 12, 13 через блок АЦП 10 в блок защиты 11. Из блока 6 импульсы управления через блок 5 поступают на управляющие цепи полупроводниковых ключей преобразователя 1.

За счет такой структуры регулирования с двухзвенным регулятором скорости обеспечивается высокая чувствительность электропривода к малым входным сигналам, как это имеет место в аналоговых системах. Для исключения дрейфа скорости при U_З=0 в блок вводится цифровой сигнал 0. Эффект высокой точности обеспечивается выбором коэффициента усиления К₁ регулятора 14. В результате этого компенсируется погрешность АЦП 10 в раз внешним контуром регулирования, содержащим датчик скорости 4. В этом случае передаточная функция двухзвенного регулятора скорости имеет вид:

где W₁(p), W₂(p) - передаточные функции соответственно аналогового и цифрового регулятора, а К₁, К₂ их коэффициенты передачи;

К=К₁·К₂ - общий коэффициент передачи регулятора;

- постоянная времени интегральной части регулятора.

За счет программного изменения коэффициента усиления К в функции уровня скорости электропривода предлагаемое устройство обеспечивает возможность повышения быстродействия системы регулирования в области малых сигналов (скоростей), что очень важно в станочных электроприводах и робототехнике. При этом с увеличением коэффициента К возрастает частота среза и быстродействие CAP. В частном случае при W₂(p)=1 и W(p) по (1) система превращается в CAP с аналоговым ПИ-регулятором скорости и цифровым регулятором тока.

Предлагаемое устройство может использоваться с различными типами преобразователей и двигателей (постоянного и переменного тока), оснащенных аналоговыми тахогенераторами и является универсальным. Устройство сочетает в себе известные преимущества аналоговых и микропроцессорных систем управления, обеспечивая высокую точность, быстродействие и гибкость в управлении.

Данное предлагаемое изобретение целесообразно запатентовать в ведущих странах.

Источники информации

1. В.Г.Файнштейн, Е.Г.Файнштейн. Микропроцессорные системы управления тиристорными электроприводами. М: Энергоатомиздат, 1986, 240 с.

2. В.М.Перельмутер, В.А.Сидоренко. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. М: Энергоатомиздат, 1988, 303 с.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области автоматизированного электропривода и преобразовательной техники. Технический результат заключается в улучшении статических и динамических характеристик электропривода. Для этого устройство содержит полупроводниковый преобразователь, электродвигатель, тахогенератор, датчик тока, задатчик скорости, термодатчики, микропроцессорный блок управления, блок согласующих элементов, при этом регулятор скорости выполнен двухзвенным и состоит из программного цифрового регулятора, например ПИ-типа, содержащегося в микропроцессорном блоке управления, и внешнего аналогового регулятора, например П-типа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микропроцессорный электропривод, содержащий полупроводниковый преобразователь, на выход которого через датчик тока подключен электродвигатель, сочлененный с тахогенератором, управляющие цепи преобразователя через блок согласующих элементов подключены к выходам микропроцессорного блока управления, программно и аппаратно реализующего систему управления преобразователем, регулятор тока, цифровой регулятор скорости, многовходовой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок защиты, а входы АЦП соединены с выходами датчика тока, тахогенератора и терморезисторов, отличающийся тем, что регулятор скорости выполнен двухзвенным и состоит из программируемого цифрового регулятора скорости, например, ПИ-типа, содержащегося в микропроцессорном блоке управления, и внешнего аналогового регулятора скорости, например, П-типа, входы которого подключены к задатчику скорости и тахогенератору, а его выход соединен с входом АЦП микропроцессорного блока управления, выход которого соединен с входом цифрового регулятора скорости, выходной сигнал которого является заданием тока электропривода на входе регулятора тока.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний аналоговый регулятор скорости выполнен с цифровым программированием коэффициента усиления, который изменяется в зависимости от уровня скорости двигателя, при этом его цифровой вход соединен с соответствующим выходом микропроцессорного блока управления.