САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2016 года по МПК G05B13/02 G05B19/18 

Изобретение относится к области автоматического управления электроприводами при возникновении дефектов в их датчиках положения.

Известен самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, регулятор, усилитель, электродвигатель с редуктором, выходной вал которого соединен с датчиком скорости и датчиком положения, выход которого подключен к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого соединен с входом электропривода, последовательно соединенные первый релейный элемент, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости и входом первого релейного элемента, а его третий вход с выходом датчика тока якорной обмотки электродвигателя, первый интегратор, первый выпрямитель, блок деления, второй вход которого через второй выпрямитель подключен к выходу датчика скорости, элемент выборки-хранения, второй вход которого через второй релейный элемент соединен с выходом датчика скорости, а его выход с вторым входом регулятора, последовательно соединенные второй и третий сумматоры, второй интегратор, четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика тока, первый блок умножения, третий интегратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к второму входу регулятора, а его выход к третьему входу этого регулятора, последовательно соединенные третий блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго сумматора, а его второй вход с вторым входом первого блока умножения и через функциональный преобразователь с выходом второго интегратора, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного напряжения, и четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а его выход с вторым входом третьего сумматора, третий вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом второго интегратора, а вторым входом с выходом третьего интегратора, причем первый и второй входы второго сумматора подключены соответственно к выходам датчика скорости и усилителя (см. патент РФ № 2060530, МПК G05В13/02, 1996 г.).

Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет улучшить точность и качество процесса управления, когда значительно изменяются инерционность объекта управления и активное сопротивление якорной обмотки электродвигателя, но при этом не обеспечивается аккомодация к дефектам в датчике положения привода.

Известен также самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, инерционное дифференцирующее звено, блок умножения, второй сумматор, второй вход которого через апериодическое звено подключен к выходу первого сумматора, усилитель, электродвигатель, редуктор, на выходном валу которого установлен датчик положения, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора, первый вход которого соединен со входом электропривода, а также датчик скорости, установленный на выходном валу электродвигателя, последовательно соединенные датчик тока электродвигателя, третий сумматор и интегратор, а также блок деления, второй вход третьего сумматора через первый релейный элемент подключен к выходу датчика скорости, а также к входам первого выпрямителя и второго релейного элемента, первый вход блока деления через второй выпрямитель соединен с выходом интегратора, его второй вход подключен к выходу первого выпрямителя, а выход - к первому входу элемента выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом второго релейного элемента, а выход через функциональный преобразователь, реализующий кусочно-линейную аппроксимацию нелинейной функции, обратной частоте среза амплитудно-частотной характеристики электропривода и зависящей от изменяющегося суммарного приведенного момента инерции ротора электродвигателя и вращающихся частей редуктора с объектом управления - со вторым входом блока умножения (см. патент РФ № 2397529, МПК G05В13/00, 2010 г.).

Указанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Но его недостатком является то, что оно, обеспечивая высокое качество управления при любом значении его суммарного момента инерции, не позволяет сохранить высокую динамическую точность при появлении ошибок в работе датчика положения выходного вала редуктора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение неизменно точной работы электропривода при возникновении дефектов в датчике положения.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в обеспечении нечувствительности работы электропривода к появляющимся дефектам в датчике положения за счет формирования дополнительного управляющего воздействия, подаваемого на его вход. Это сохраняет работоспособность электропривода в процессе его эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель, связанный с датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с входом устройства, дополнительно вводятся последовательно соединенные второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом датчика скорости, первый интегратор, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика положения, а выход - ко второму входу второго сумматора и входу второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают инвариантность электропривода к ошибкам в работе его датчика положения, что обеспечивает неизменное качество в процессе его эксплуатации.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема самонастраивающегося электропривода и введены следующие обозначения: $${\alpha }_{\text{н}}^{}$$ - угол поворота выходного вала редуктора; $${\alpha }_{\text{н}}^{\text{вх}}$$ - задающий (входной) сигнал, $$\dot{\alpha }$$ - скорость вращения вала электродвигателя, $$\epsilon$$ - ошибка электропривода.

Самонастраивающийся электропривод содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, корректирующее устройство 2, усилитель 3, электродвигатель 4, связанный с датчиком скорости 5 непосредственно и через редуктор 6 - с датчиком положения 7, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй сумматор 8, первый вход которого соединен с выходом датчика скорости 5, первый интегратор 9, третий сумматор 10, второй вход которого подключен к выходу датчика положения 7, а выход - ко второму входу второго сумматора 8 и входу второго интегратора 11, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора 1, объект управления 12.

Электропривод работает следующим образом. На его вход подается управляющее воздействие $${\alpha }_{\text{н}}^{\text{вх}}$$ , обеспечивающее требуемый закон изменения угла $${\alpha }_{\text{н}}^{}$$ . На выходе первого сумматора 1, все положительные входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, вырабатывается сигнал $$\epsilon$$ , который после коррекции в корректирующем устройстве 2, усиливаясь, поступает на электродвигатель 4, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящим от величины поступающего напряжения.

При возникновении дефекта в датчике положения 7 его выходной сигнал будет содержать ошибку $$\delta$$ , снижающую точность работы электропривода в процессе выполнения им конкретных технологических операций.

Первый положительный вход второго сумматора 8 (со стороны датчика скорости 5) имеет коэффициент усиления $$\frac{1}{i_{\text{р}}}$$ (где $$i_{\text{р}}$$ - передаточное отношение редуктора 8), а его второй положительный вход - коэффициент усиления $$\omega$$ . В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

$${\dot{x}}_{}^{*}=\frac{\dot{\alpha }}{i_{\text{р}}}+\omega r$$ , (1)

а на выходе первого интегратора 9, имеющего единичный коэффициент усиления, - сигнал $$x_{}^{*}={\displaystyle \int (\frac{\dot{\alpha }}{i_{\text{р}}}+\omega r})dt$$ , который является некоторой оценкой выходного сигнала датчика положения 7, где

$$r={\alpha }_{\text{н}}-x^{*}$$ (2)

- выходной сигнал третьего сумматора 10, имеющего первый отрицательный (со стороны первого интегратора 9) и второй положительный входы с единичными коэффициентами усиления.

Взяв производные от левой и правой частей выражения (2), с учетом выражения (1), а также того, что при отсутствии дефектов в датчике положения 7 имеет место выражение $${\dot{\alpha }}_{н}=\dot{\alpha }/i_{р}$$ , несложно получить: $$\dot{r}=-\omega r,$$ если дефекты в датчике положения 7 отсутствуют. Если же они присутствуют, то имеет место выражение

$$\dot{r}=-\omega r+\dot{\delta }$$ , (3)

где $$\dot{\delta }$$ - величина, характеризующая ошибку измерения датчиком положения 7 угла $${\alpha }_{\text{н}}^{}$$ (она является производной от ошибки измерения $$\delta$$ ).

Решение уравнения (3) имеет вид: $$r(t)=C_1{e}^{-\omega t}+\frac{\dot{\delta }}{\omega }$$ . Поскольку положительная величина ω может быть выбрана достаточно большой, то в быстро наступающем установившемся режиме работы системы (спустя малое время t) имеет место соотношение $$\dot{\delta }=\omega r.$$ В результате на выходе второго интегратора 11, имеющего коэффициент усиления $$\omega$$ , формируется искомый сигнал ошибки измерения $$\delta =\omega {\displaystyle \int \text{[}{\alpha }_{\text{н}}\text{-}{\displaystyle \int (\frac{\dot{\alpha }}{i_{\text{р}}}+\omega r})dt\text{]}dt}$$ , который присутствует в показаниях датчика положения 7. В первом сумматоре 1 происходит вычитание найденного сигнала ошибки $$\delta$$ из выходного сигнала датчика положения 7, в котором присутствует эта ошибка. В результате удается получить точное (искомое) значение угла поворота выходного вала электропривода $${\alpha }_{\text{н}}^{}$$ и тем самым сохранить высокую точность его работы.

Изобретение относится к самонастраивающейся системе управления электроприводом. Самонастраивающийся электропривод содержит последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель, связанный непосредственно с датчиком скорости и через редуктор - с датчиком положения. Выход датчика положения подключен к первому входу первого сумматора. Второй вход сумматора соединен с входом устройства. Второй сумматор, первый интегратор, третий сумматор и второй интегратор последовательно соединены. При этом первый вход второго сумматора соединен с выходом датчика скорости. Второй вход третьего сумматора подключен к выходу датчика положения, а выход - ко второму входу второго сумматора и входу второго интегратора. Выход второго интегратора соединен с третьим входом первого сумматора. Технический результат заключатся в обеспечении работоспособности электропривода при дефектах датчика положения. 1 ил.

Самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель, связанный с датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с входом устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом датчика скорости, первый интегратор, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика положения, а выход - ко второму входу второго сумматора и входу второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора.