Позиционный электропривод Советский патент 1984 года по МПК G05B11/01 

Изобретение относится к автомат ческим электроприводам, в которых, необходимо реализовьгоать требуемый закон изменения регулируемой величины при разгоне, равномерном движении и торможении, и может найти применение при управлении различног рода промышленными установками. Известен позиционный электропривод, . содержащий датчик и задатчики пути перемещения рабочего орга на, блоки задания скорости и направ ления перемещения, блок определения интенсивности перемещения, датчик скорости двигателя и рабочего органа, усилитель, датчик тока двигателя, блок ограничения тока, датчик нагрузки, блок сравнения скоростей, валов двигателя и рабочего органа, причем.выход датчика тока двигателя через блок ограничения тока подключен к входу блока задания направ ления перемещения, выкоды датчиков скоростей двигателя и рабочего орга на через блок сравнения скоростей двигателя и рабочего органа подключены к первому входу блока определе ния интенсивности перемещения, датчик скорости двигателя через формирование управляющего сигнала подключен к второму входу блока интенсивности перемещений, а выход датчика нагрузки соединен с входом бло ка сравнения скоростей двигателя и рабочего органа и с третьим входом блока определения интенсивности перемещения lj . Известен позиционный элект ропрлвод, содержащий последовательно соединенные задатчик скорости, преобразователь, двигатель, датчик скорости, выход которого подключен к входу преобразователя, дополнительный датчик скорости, нелинейный преобразователь, пороговый элемент с памятью и коммутирумций элемент причем выходы основного и дополнительного датчиков скорости под ключены к входам нелинейного преобразователя, а выход нелинейного пре образователя через пороговый элемент с памятью связан с коммутирующим элементом, два неподвижных кон такта которого подключены к входу преобразователя, один подвижный контакт связан с выходом задатчика скорости, а другой - с дополнительным датчиком скорости 2J . Недостатками указанных электроприводов являются их низкие надежность и быстродействие, обусловленные тем, что .они не позволяют, автомагически определить момент начала торможения и формировать оптимальный по быстродействию режим работы при позиционном управлении q неполными диаграммами скоростей. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является позиционньй электропривод, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, регулятор скорости, второй сумматор, регулятор тока,тиристорный преобразователь, двигатель и датчик скорости, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, вход которого соединен с вторым выходом двигателя, а выход - с вторым входом второго сумматора, датчик тока, вход которого соединен с первым выходом двигателя, а выход - с вторым входом первого сумматора, второй выход двигателя через датчик производной тока подключен к третьим входам первого и второго сумматоров ГзТ Недостатками известного электропривода являются его низкие надежность и быстродействие, обусловленные тем, что в нем отсутствует связь момента начала торможения с расстоянием до конечной точки остановки. Поэтому при использовании известного электропривода в циклических промышленных установках (т.е. в подъемных машинах, кранах, экскаваторах и т.д.) невозможно получить минимальное время рабочего цикла при ограничениях на величины ускорения и рывка (т.е. производной ускорения в условиях работы электропривода с неполными диаграммами скоростей). Цель изобретения - повьппение надежности и быстродействия, i Поставленная цель достигается тем, что в позиционном электроприводе, содержащем последовательно соединенные задатчик скорости, первьй сумматор, регулятор скорости, второй сумматор, регулятор тока, тиристорньпЧ преобразователь.,двигатель и датчик скорости, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, датчик тока, соединенный входом с вторым выходом двигателя, а выходом - с вторым входом второго сумматора, дополнительно установлен нелинейный блок и последователь но соединенные усилитель, первый вентиль, блок задания начала торможения, третий сумматор и второй вен тиль, соединенный выходом с входом задатчика скорости и первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к .выходу датчика скорости, а выход - к второму входу блока задания начала торможения, соединенного третьим входом с первым входом нелинейного блока, второй и третий входы которого подключены соответственно к первому и второму входам усилителя, а выход - к второму входу третьего сумматора . Блок задания начала торможения с держит первый ограничитель, усилитель и последовательно соединенные вентиль, второй ограничитель, интегратор и сумматор, соединенный вто рым входом с первым входом блока за дания начала торможения,а выходом - с входом вентиля и первым входом первого ограничителя, второй вход ко-, торого подключен к второму входу второго ограничителя и к второму входу блока задания начала торможения, подключенного выходом к выходу первого ограничителя, а третьим входом через усилитель - к третьему входу второго ограничителя. На фиг. 1 приведена структурная схема позиционного электроприводаJ на фиг. 2 - структурная схема блока задания начала торможения; на фиг.З принципиальная электрическая схема задатчика скорости; на фиг. 4 - диа граммы напряжений задатчика скорости и интегратора. Позиционный электропривод содержит нелинейный блок 1, третий сумматор 2, второй вентиль 3, задатчик 4 скорости, регулятор 5 скорости, регулятор 6 тока, тиристорньй преобра зователь 7, двигатель 8, датчик тока 9, датчик 10 скорости, четвертый сумматор 11, блок 12 задания начала торможения усилитель 13, первый вентиль 14. Блок задания содержит первый и второй ограничители 15 и 16, вентил 17, усилитель 18, интегратор 19, сумматор 20. Задатчик скорости содержит резистор 21, операционные усилители. 22-26, резисторы 27 - 30, диоды.3134, резисторы 35-38, конденсаторы 39 и 40, резисторы 41-44. На фиг. 1-3 показаны первый, второй и третий входы 45-47 позиционного электропривода, третий и первый входы, выход и второй вход 48-51 блока 12 задания начала торможения, вход и выход 52 и 53 задатчика 4 скоростей, первьй и второй сумматоры 54 и 55, источники 56-59 постоянного напряжения, VJ - напряжение на выходе i-ro блока (или элемента) позиционного электропривода; .и - напряжение на выходе задатчика 4 скорости; напряжение на первом входе нелинейного блока 1 и на третьем входе блока 12 задания начала торможения, т.е. напряжение на первом входе 45 позиционного электропривода; - напряжение на выходе нелинейного блока 1; U Qнапряжение на третьем входе 47 электропривода; 1)7 УПВ - напряжение на выходе вентиля 14 и на первом входе 49 блока 12 задания начала торможения; Uj - напряже-, ние на выходах операционных усилителей 22 и t - текущее время; %п напряжение на втором входе 46 позиционного электропривода. Нелинейный блок методом кусочнолинейной аппроксимации с помощью, например, операционных усилителей реализует нелинейную зависимость видаГл|В2+Си.5р-В прии.и ц I UCM при U46 и, где В С /2R; Ш.. - напряжение на выходе нелинейного блока 1; и.. напряжение на первом входе 45 электропривода: ид и и - напряжения на втором и третьем, входах 46 и 47 электропривода; R - рывок; С - величина ускорения электропривода; U.jf,- напряжение, пропорциональное заданному перемещению и подаваемое на.второй вход 46 электропривода. Электропривод работает следукнцим образом. В зависимости от требуемой велиины заданного перемещения, опрееляемого величиной напряжения , на втором входе 46 электропривода, озможны два режима его работы. В еряом режиме электропривод обеспе5чивает полный рабочий цикл с полной диаграммой скорости двигателя 8 разгон, движение с максимальной уст новившейся скоростью,, торможение; а во втором - неполный рабочий цикл - разгон до определенной скорости, ниже максимальной,и торможение. Для обеспечения оптимальности по быстродействию позиционного электро привода величина максимального знач ния скорости должна определяться требуемой величиной заданного перемещения, а также значениями максимального ограниченного ускорения С и его первой производной по времени (рывком) R. Согласно диаграммам на фиг. 4 напряжение , Ц. пропорциональное заданному перемещению, численно равно, площади кривой oabeklm диаграммы скорости в координатах: Up - н.апряжение на выходе задатчика 4 скорости и t - время. Так как площадь кривой oabeklm равна площади треугольника оет, то 1 (t,t,)u; ( IiQM. С, - 5 где С R , пропорциональное заданнапряжениеному значению; напряжение на выходе нелинейного блока; С - значе ние максимального ограничиваемого ускорения; R - значение первой производной максимального ограничивавмого ускорения (т.е. рывок а). Решая приведенное выше уравнение относительно Upj, получим Ucw В +CU -В, где В - напр51жение на выходе нелинейного блока 1, пропорциональное значению максимальной заданной скороети при ,; напряжение, пропорщюн.шьное минимальному перемещению (вход 47), при котором скорость на выходе электропривода достигает ограничиваемой максимальной величины UfM и равно площади фигуры, ограниченной кривой oacdfgh (фиг. 4); - напряжение, пропорциональное максимально допустимой ограничиваемой скорости (вход 45) по условиям эксплуатации электропривода; - напряже:ние, пропорциональное заданному перемещению (вход 46); С - значение максимапь7ного ограничиваемого ускорения; R значение рывка. Напряжение величина постоянная и является предельным значением напряжения UJ1.. . . у При подаче на вход 46 электропривода напряжения на выходе нелинейного блока 1 формируется напряжение (,,) L UCM npMU n UnoCU4e U47V Величина максимального значения скорости, как следует из приведенных выше соотношений, задается с учетом ограничиваемьк значений ускорения С и рывка R, KOTOpbfe могут определяться условиями технологического процес-, са, правилами техники безопасности, техническими возможностями электропривода . Рассмотрим работу электропривода в первом резкиме При подаче на вход 46 (первый вход непинейного блока 1) напряжения, соответствующего заданному перемещению Urji ольшему минимального перемещения UHQ (при котором скорость электропривода достигает ограничиваемой величины, т.е. , UHQ) на выходе нелинейного блока 1 при t 0. Появится напряжение , пропорциональное, ограничиваемой максимальной скорости. Это напряжение через сумматор 2, имеющий характеристику Uj Щ - Uj, и вентиль 3с характеристикой КзИ, при Uj Jj О при Uj О, где Kj - коэффициент усиления вентиля 3 подается на вход задатчика скорости 4 (вход 52). При этом на выходах операционных усилителей 22 и 23 (фиг. 3) появляются напряжения, значения которых определяются опорными нaпpяжeния ш, устанавливаемыми с помощью источников 56 - 59 и переменных резисторов 35 - 38 соответственно. L JV«44 «71 npw U42 U444U|,|i}E,l I Е,«P«l 42 tJ-(4 Cl24l4Ei|, Ef - величина опорного напряже, задаваемая сПомощью источников 56 и 57; UiT u npHiu jtu l ie, 2 npM|U2r4U4 jv E2l, величина опорного напряжезадаваемая с помощью источнико 58 и 59. Эти напряжения пропорциональны задаваемым ускорению С и рывку R. На выходе интегрирующего усилителя, реализованного на операционном усил теле 24, напряжение начинает возрастать по линейному закону, а на выходе интегрирующего усилителя, реализованного на операционном усилителе 26 - по парабола (участок :оа, фиг. 4). Операционные усилители 23 - 25 охвачены отрицательной обратной связью через резистор 43, ,поэтому рост напряжения на выходе операционного усилителя 24 прекратится, когда напряжение на выходе операционного усилителя 25 станет равным напряжению на выходе операг ционного усилителя 22. При этом напряжение .на выходе операционного ус лителя 23 равно нулю, а на выходе операционного усилителя 26 возраста ет по линейному закону (участок ас, фиг. 4), так как на его вход подает ся постоянное напряжение с выхода операционного усилителя 25. Если сумма напряжений, поступающих по це пям отрицательной обратной связи на вход.операционного усилителя 22 с выходов операционных- усилителей 24 и 26, станет равной по абсолютной величине напряжению на входе 52 задатчика 4 скорости, то на выходах операционных усилителей 22 и 23 полярности напряжений изменяются на противоположные. Напряжение на выходах операционных усилителей 23 и 24 начнет уменьшаться до нуля по линейному закону, а на вь Jcoдe операционного усилителя 26 - изменятьс по параболе (участок cd кривой U, фиг. 4) к напряжению Ц.,. Когда напряжения на выходах операционных усилителей 24 и 25 станут равными нулю, то на входе операционного уси лителя 26 будет равно U-щ , т.е. зна чения напряжений на входе 52 и выхо де эапатчкка 4 скорости станут одинаковыми. Напряжение и на вЕлсоде задатчика 4 скорости задает требуемую диаграмму скорости двигателя 8 при разгоне. Электропривод, построе ный на замкнутой двухконтурной схеме подчиненного регулирования и содержащий последовательно соединенные первый сумматор 54, регуляторы скорости 5, второй сумматор 55, регулятор 6 тока, тиристорный преобразователь (т.е. усилитель мощности) 7 и двигатель 8 с обратными связями по скорости и току через датчики 10 и 9, обеспечивает изменение действительной скорости двигателя 8 от нуля до соответствующей напряжению ) максимальной скорости по заданному закону. Напряжение , подается также на первый вход усилителя 13 (вход 46) с характеристикой Uj ( )К,з , где K|-j- коэффициент усиления усилителя 13; а на его второй вход (вход 47) подается напряжение U(jo противоположной полярности. Так как U то на выходе усилителя 13 напряжение будет nojjoжительным и через вентиль 14, имеющий характеристику U(5 О, где - коэффициент усиления вентиля 14, положительное напряжение Ufjg U|4 подается на первьй вход блока 12 задания начала торможения (вход 49). Для того, чтобы рабочий орган объекта регулирования (не показано) переместился на заданное расстояние за минимальное время (t, tn + te -f- t.: при заданных максимальных значениях скорости, ускорения и рывка, торможение должно начаться в момент времени 45 М 5 когда путь, пройденный рабочим органом после достижения максимальной скорости, будет равен - , т.е. разности двух площадей диаграммы скорости SoacJoprs. Фи.А). Выбор момента начала торможения осуществляется автоматически блоком 12 задания начала торможения, на второй вход которого (вход 51) подается выхрдное напряжение четвертого сумматора 11 равное U/j U jQ-Uj, а на третий вход подается напряжение (вход 48). Коэффициенты усиления K(J интегратора 19, Кц- усклителя 13, К|4 вентиля 14, усилителя 18 с характеристикой Uig (б см связаны между собой определенной зависимостью. Ограничитель 16 имеет характеристику.- при (U(7 +U5,+U,g ) О при (и,7 +U5J +и) 4 О Напряжение на выходе интегратора 19 равно 11-4 К, . К К| Ufj.t, а на выходе вентиля 1 и/4 CUw- .Uno)K|yK(4- в момент времени 5- (изр- DUO) выходное напряжение U - сумматора 20 должно стать равным О, т.е. (%ff- и„,)%К,4 K4-K,ftUcj,t. Следовательно, K|g К|уК| }./Кц . При необходимости, изменяя напряжение ,, коэффициенты передачи К , К,з и Kfi соответствующих элементов остаются неизменными. При разгоне электропривода напряжение Ц на выходе сумматора 11 отри цательно, так как из напряжения на одном его входе вычитается напряжение и, подаваемое на другой вход соответственно с выходов датчика 10 скорости и вентиля 3. Поэтому ограничители 15и 16 заперты. Ограничитель 15 имеет характеристику, аналогичную звену 16, (и,п-«- Uc,) О Д20- иу, и,) О, где Ere выбирается больше ,((1145). В момент окончания разгона электропривода сигнал на выходе сумматора 11 и, следовательно, на втором входе ограничителя 16 станет равным нулю (т.е. и 0), а напряжение на выходе ограничителя 16 изменится от нуля до . Ограничитель 16 может быть реализован на неинвертирующем операционном усилителе с ограничителем выходного напряжения, один уровень ограничения которого равен , а второй равен нулю. При подаче на вход интегратора 19 напряжения U|g на его выгходе напряжение начинает возрастать В момент времени, когда напряжение иц на выходе интегратора ,19 превысит напряжение Ung U|f , поданное на второй вход сумматора 20, на выходе сумматора 20 появится положительное напряжение. При этом напря 710 жение на выходе вентиля 17, имекицего характеристику 20 Ри О при -i О, где К17 - коэффициент усиления вентиля 17, станет отрицательным, и напряжение на выходе ограничителя 16 станет равным нулю, а на выходе ограничителя 15 станет равным Ejp . С выхода ограничителя 15 напряжение подается на второй вход сумматора 2. При этом .напряжение на выходе сумматора 2 отрицательно, поэтому на выходе вентиля 3 напряжение становится равным нулю, т.е. снимается входное воздействие с задатчика 4 скорости. С этого момента начинается торможение электропривода и его остановка,. Напряжение U 114 изменяется по кривой nprs с двумя параболическими участками пр и rs и соединяющим их линейным участком рг. Время разгона t равно времени торможения tj (фиг. 4), что обеспечивается задатчиком 4- скорости. Формирование напряжения U при торможении осуществляется задатчиком 4 скорости, аналогично рассмотренному при разгоне. Предлагаемый электропривод предназначен для управления механизмами циклического действия, перед началом каждого цикла работы производится установка всех необходимых его блоков и элементов в исходное состояние, например, разряд конденсаторов регуляторов 5 скорости и 6 тока, снятие входного воздействия Ш (вход 46), а также разряд KoiD eHcaropoB других интеграторов. В описании элементы и цепи для приведения электропривода в исходное состояние не показаны, так как они не поясняют сущность и цели предлагаемого изобретения. Рассмотрим работу электропривода во втором режиме при напряжении П . При подаче этого напряжения на вход нелинейного блока 1 (вход 46) на его выходе установится напряжение- В + С U,fl - ВЭтр напряжение подается через сумматор 2, вентиль 3 на вход задатчика 4 скорости, а далее аналогично 11 ранее рассмотренному режиму - на двигатель 8,. и начинается разгон электропривода до значения скорости Ujjif . Напряжение выходе вентиля 14 равно нулю, так как в момент окончания разгона, ког да напряжение Ц/ на выходе cy iaтора 11 станет равным нулю, напряжение на выходе ограничителя 16 станет равным . Напряжение на выходе интегратора 19 станет возрастать. Когда напряжение интегратора 19 превысит напряжение (вход 49), т.е. станет больше нуля на выходе сумматора 20 появится по ложительное напряжение, а напряжение на выходе ограничителя 15 станет равным , что приведет к появлению отрицательного напряжения на выходе сумматора 2 и нулевого напряжения на входе задатчика 4 ск рости. С этого момента начинается торможение (точка С, фиг. 4). Кром того, на выходе вентиля 17 появится отрицательное напряжение, которое запирает ограничитель 16, и на пряжение на его выходе станет равHbw нулю. Интегрирование в интегра торе 19 прекратится. Перед началом нового цикла напряжение на выходе интегратора 19 как и в рассмотренном ранее режиме устанавливается в нуль. По сравнению с базовым объектом Сз предлагаемое устройство обеспечивает минимальное время рабочего цикла за счет формирования по оптимальному закону заданной диагр мы скорости как полной, так и неполной при позиционном управлении, и автоматический выбор момента нач 7 ла торможения, а таюке ограничение динамических нагрузок, исключение колебательных процессов, что позволяет повысить надежность и бысуродействие системы. Экспериментальные исследования предлагаемого электропривода, проведенные на модели электропривода поворота экскаватора ЭКГ-4,6 с применением аналоговой вычислительной машины МН-7, блоков УБСР (унифицированная блочная система регуляторов) и электродвигателя типа П31-94 мощностью 1,5 кВт, показали, что изобретение по сравнению.с базовым устройством позволяет сократить время одной операции поворота на 0,50,75 с. При работе экскаватора за один цикл происходят две операции поворота. Поэтому время цикла при применении предлагаемого устройства сокращается на t-1,5 с. Для экскаватора ЭКГ-4,6 по паспортным данным среднее время рабочего цикла составляет 25 с. Использование предлагаемого электропривода.позволяет сократить время рабочего цикла до 23,75-24 с, т.е. быстродействие его повышается на 5% и, следовательно, производительность экскаватора в среднем увеличивается на 5%. Кроме того, повьшается коэффициент эксплуатационной надежности электропривода на 18% за счет повьшения надежности работы электродвигателя и тех механических средств, с которыми он может быть соединен путем более точной, по оптимальному закону, отработки входных сигналов. При таких режимах сокращаются до минимума броски тока двигателя.

фш.1

1. ПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий последовательно соединенные задатчик скорости, первый сзт 1матор, регулятор скорости, второй сумматор, регулятор тока, тиристорный преобразователь, двигатель и датчик скорости, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, датчик тока, соединенный входом с вторым выходом двигателя, а выходом - с вторым входом второго сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и быстродействия, в него введены нелинейный блок и последовательно соединенные усилитель, первый вентиль, блок задания начала торможения, третий сумматор и второй вентиль, соединенный выходом с входом задатчика скорости и первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу датчика скорости, а выход - к второму входу блока задания начала торможения, соединенного третьим входом с первым входом нелинейного блока, второй и третий входы которого подключены соответственно к . первому и второму входам усилителя, а выход - к второму входу третьего сумматора. 2. Электропривод поп .1, о т ли-чающийся тем, что блок (Л задания начала торможения содержит первьм ограничитель, усилитель и последовательно соединенные вент.иль, второй ограничитель, интегратор и сумматор, соединенный вторым входом с первым входом блока задания начала торможения, а выходом - с входом вентиля и первым входом первого X) ограничителя, второй вход которого 4 к1 подключен к второму входу второго ограничителя и к второму входу бг о ч ка задания начала торможения, Пс. ключенного выходом к выходу первого ограничителя, а третьим входом через усилитель - к третьему входу второго ограничителя.

а В с

С

/

6

t

/

г p r

и