СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2013 года по МПК H02P7/06 H02P6/00 G05B11/01 G05B11/36 

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 k_ДП дифференцируется звеном с передаточной функцией

W_OCC(p)=k_OCCp,

где k_OCC - 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 С_ЕФ. Первое из этих звеньев описывает статические и динамические свойства якорной цепи электродвигателя, определяемые ее активным сопротивлением R_Я и индуктивностью L_Я

$$W_{Я}(p)=\frac{1}{R_{Я}({Т}_{Я}р+1)}$$ ,

где $${Т}_{Я}=\frac{L_{Я}}{R_{Я}}$$ - 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

$$W_{ЭМ}(р)=\frac{R_{Я}}{{С}_{Е}Ф{Т}_{М}р}$$ ,

где $${Т}_{М}=\frac{J{R}_{Я}}{{С}_{Е}{С}_{М}{Ф}^2}$$ - электромеханическая постоянная времени, J - суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя, С_Е и С_М - 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

$$W_{ИМ}(р)=\frac{x(p)}{\omega (p)}=\frac{k_{ИМ}}{р}$$ ,

где k_ИМ - коэффициент передачи исполнительного механизма.

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

$$W_{СП}(р)=\frac{k_{СП}}{{Т}_{СП}р+1}$$ ,

где k_СП и Т_СП - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя, соответственно.

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

W_ПД(р)=k_ПД(Т_ПДр+1),

где k_ПД - коэффициент передачи, а Т_ПД - постоянная времени регулятора.

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

$$W_{И}(р)=\frac{1}{{Т}_{И}р}$$ ,

где Т_И - постоянная времени.

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

$$W_{ОУ}(р)=\frac{k_{ИМ}}{{С}_{Е}Ф({Т}_{Я}{Т}_{М}{р}^2+{Т}_{М}р+1)р}$$ .

В большинстве случаев последнее выражение можно представить в виде

$$W_{ОУ}(р)=\frac{k_{ИМ}}{{С}_{Е}Ф({Т}_1р+1)({Т}_2р+1)р},(1)$$

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

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

Т_ПД=Т₂.

С учетом этого передаточная функция следящего электропривода

$$W_3(p)=\frac{1}{k_{ДП}\left[\frac{{Т}_1{Т}_{СП}{Т}_{И}}{k_2}{p}^4+\frac{\left({Т}_1+{Т}_{СП}\right){Т}_{И}}{k_2}{p}^3+\frac{\left(1+k_1\right){Т}_{И}}{k_2}{p}^2+{Т}_{И}р+1\right]}$$ ,

где k₁=k_ПДk_СПk_ДУk_ИМk_ДПk_ОСС; k₂=k_Пk_ПДk_СПk_ДУk_ИМk_ДП; $$k_{ДУ}=\frac{1}{{С}_{Е}Ф}$$ .

Величины коэффициентов передачи пропорционального k_П и пропорционально-дифференциального k_ПД регуляторов выбираются из условия

$$k_{П}\prec \frac{{Т}_1+{Т}_{СП}}{{Т}_1{Т}_{СП}}\left(\frac{1}{k_{ПД}{k}_{СП}{k}_{ДУ}{k}_{ИМ}{k}_{ДП}}+k_{ОСС}\right)$$ .

Величина постоянной времени интегрального регулятора выбирается из следующего условия

$${Т}_{И}\succ \frac{{\left({Т}_1+{Т}_{СП}\right)}^2}{\left({Т}_1+{Т}_{СП}\right)\left(1+k_1\right)-{Т}_1{Т}_{СП}{k}_2}$$ .

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 С_ЕФ=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 Т_Я=0,005 с и Т_М=0,199 с. Так как фактически задающий сигнал следящего электропривода формируется в дискретах датчика положения, то k_ДП=1, а коэффициент передачи исполнительного механизма k_ИМ=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 k_СП=0,0073 В/дискрету, Т_СП=0,0001 с. В расчетной модели также учтено, что выбраны следующие настройки регуляторов: Т_ПД=0,1937 с, k_ПД=256, k_П=8, Т_И=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 t_ПП=0,00209 с, а перерегулирование - σ=0,465%. Динамический провал при набросе момента, эквивалентного току нагрузки в 1A не превышает Δx_max=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.

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.

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.