Устройство для управления электромагнитным приводом Советский патент 1990 года по МПК H01F7/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнитного исполнительного органа (ЭИО) пропорционального действия, когда требуется отработка управляюцих воздействий с высокой точностью.

Цель изобретения - упрощение устройства и.повышение его надежности.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит электромагнитный исполнительный орган (ЭИО) 1, включаюпшй обмотку 2 управления, ; усилитель 3 с больпшм коэффициентом усиления, выход которого через датчик 4 тока соединен с обмоткой 2 управления, датчик 5 положения, связанный с подвижной частью ЭИО 1, дифференциатор 6, вход которого соединен, с выходом датчика 5 положения, линейный регулирующий блок 7, первый вход которого соединен с выходом датчика 5 положения, а второй - с выходом дифференциатора 6, причем на два других входа поданы сигнал 8 задания по положению и сигнал 9 задания по скорости подвижной части ЭИО 1, а его выход связан с одним из входов блока 10 суммирова1шя, другой вход которого соединен с выходом блока 11 нелинейности, вход которого подключен к выходу датчика 4 тока. Сигнал с выхода блока 10 суммирования подается на вход усилителя 3 с большим коэффициентом усиления.

Уравнение движения механической части ЭИО 1 имеет вид

dfr PgE . Ча

(1)

де J - момент инерции подвижной

части ЭИО;

9 - угол поворота (перемещение) подвижной части ЭИО, равный углу между осями подвижной и неподвижной полюсных систем ЭИ О и отсчитываемый от их несогласованного положения; ft - коэффициент вязкого трения;

М„ - момент, развиваемый испол- нительным органом;

Мц - момент нагрузки (например,

если нагрузкой является пружина с коэффициентом С жесткости, то .9).

Момент,, развиваемый ЭИО поворотного типа, или усилие ЭИО поступательного действия с линейной магнитной системой пропорционально квадрату тока, .протекающего в обмотке:

.Ми -К Р.

Уравнение, описьгааияцее электромагнитную систему ЭИО, может быть пред- ставлено в виде

.. iR+aWd S) .Q) 9 ,,ч и..--™ „ g-+-gg J-, (2)

где U,i и R - соответственно напряжение, ток и сопротив- , ление обмотки управления ЭИО;

((1,6) Lpi0- потокосцепление.

После подстановки в выражение (2) значения (| (i,6) получим:

u.iK..L,if|.

Учитьюая выражения (1) и (3), тему уравнений, описывающую ЭИО, но записать в форме

fl -W; м, Ki%

dC3 1

jrrjt

Будем использовать управление в виде

(4)

где i. и - i (,

(5)

де 1д - управляющий сигнал на выходе линейного регулирующего устройства;

- - коэффициент передачи усилите- ля с большим коэффициентом

усиления. Под .большим коэффициентом понимает 1 ся такое значение -, что величина

для всех значений по крайней

мере в десять раз меньше величины

J MU- %« « ° °

WOKC

случае изменение тока в обмотке ЭИО будет происходить значительно быстрее, чем изменение механических координат подвижной части ЭИО - (J и fl .

Подставив значение управляюцей величины в последнее уравнение системы (4), получим:

JH .

или

io-KP-6iR-6L iQ. (6)

Учитывая, что коэффициент передачи

усилителя ,т.е. , квазиуста- новившееся решение уравнения (6) в соответствии с теоремой Тихонова равно

io - КР.10

При подстановке в третье уравнение системы (4) полученного значения для тока в обмотке управления ЭНО:

Ъз. К

(7)

система (4) преобразуется в линейную систему дифференциальных уравнений второго Порядка;

(8)

Таким образом, применение квадратичной обратной связ-и по току в соответствии с (5) позволяет не только линеаризовать исходную нелинейную систему уравнений (4), но и понизить ее порядок на единицу. Физически управление (5) означает, что обмотка управления ЭИО получает питание от регулируемого источника тока с пара- болической характеристикой (7). Управлением для системы (8) является управляющий сигнал i.

Величину ig будем искать в виде линейной функции задающего си1 нала, сигнала обратной связи по положению и скорости подвижной части ЭИО:

,( -е)Лао(Ш,аА - -(J). (9)

где ад и ац коэффициенты обратных связей по положению и скорости подвижной части ЭИО соответственно.

После подстановки в систему (8)

значения i,, из выражения (9) получим

5 -п- dt

(9iaA-9)(W3C.A-W). (Ю) Таким образом, предлагаемое уст- ройство обеспечирает линеаризадою нелинейиостей, присуишх злектромаг- нитным исполнительным органам и за счет зтого дости1 ается повышение ди0

5

0

5

0

5

намических и статических характеристик данной системы управления.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим работу системы управления ЭИО 1 при изменении сигнала зада- ния по положению от б, р,о Qy

В исходном состоянии подвижная часть ЭИО 1 занимает положение 9 - . при этом ;(0-СОрд 0, а в линейном управляющем регулирующем блоке 7 согласно выражению (9) вырабатывается сигнал io, С9. Ток, протекаю- щнй в обмотке 2 управления, равен

Г-

i Coэдaвae «й этим током мо- 1

мент уравновешивается моментом сопротивления.

Пусть изменение положения от S, до 0g должно происходить с постоянной скоростью, то1 да:

9,; и,, при

6,,+CO,t;CJwA(i)f, при б MA .. при t %--.

При изменении сигнала 8 задания 110 положению и сигнала 9 по скорости, на выходе линейного регулирующего блока / появляется управляющий сиг- , нал, величина которого определяется из выражения

«JagCQ, fG)ct-9)() .

В блоке 10 суммирования, который может быть выполнен по известной схеме, управлягаций сигнал i суммируется с сигналом, поступающим с выхода блока 11 нелинейности, который реализует квадрал ичную зависимость и может быть выполнен на аналоговом перемножителе К 525 ПС2 но известной схеме.

Так как усилитель 3 обладает большим коэффициентом усиления, ток в обмотке 2 упрапления практически мгновенно отрабатывает все изменения упраялякщего сигнала и равен i

10 г,

--. При превышении движущегося моN

мента исполнительного органа над моментом сопротивления подвижная часть ЭИО 1 приходит в движение. Движение подвижной ЭИО 1 части будет происходить так, чтоб стремится к9у,, а CJ стремится кОЗаддДо тех пор, пока она не займет положения 0 , при этом управляющий си1 нал

станет пропорционален моменту i Cdj сопротивления.

Ток в обмотке 2 управления будет

равен

Рассмотрим работу системы управления в статическом режиме, -const. Пусть сигнал с выхода блока 11 нелинейности по абсолютной величине будет меньше, чем управляющий сигнал ip, тогда на выходе блока 10 суммирования будет присутствовать положительный сигнал ошибки, а к обмотке 2 управления через усилитель 3 будет приложено максимальное напряжение, в результате чего ток в обмотке 2 управления ЭИО 1 начнет возрастать до тех пор, пока сигнал на выходе блока 11 нелинейности не станет больше управляющего сигнала i. В этот момент усилитель 3 отключит обмотку 2 управления от источника питания. Под действием ЭДС самоиндукции через обмотку 2 управления, обратньш диод усилителя 3 и датчик 4 тока будет протекать ток до тех пор, пока сигнал на выходе блока 11 нелинейности не станет меньше i,,. После этого на выходе усилителя 3 снова появится напряжение и описанные процессы повторятся.

Таким образом, с учетом реального ограничения напряжения усилителя 3, к обмотке 2 управления ЭИО 1 будет прикладываться напряжение sign(ijj -К1),где и - напряжение ограничения усилителя 3. Среднее значение тока будет поддерживаться за счет поочередного подключенгч обмотки 2 управления к источникам U. Возникающий при этом скользящий режим характеризуется тем, что ток в обмотке управления определяется из выражения

где

Р

переменная составлягсщая, обусловленная переключением усилителя 3.

Частота возникаищих колебаний будет стремиться к бесконечности, а амплитуда - к нулю. Для снижения час- . тоты переключения в усилителе 3 с большим коэффициентом усиления ввеле- на положительная обратная связь. За счет изменения глубины положительной обратной связи можно регулировать

5

0

5

30

35

45

50

55

амплитуду и частоту переменной составляющей тока i так, чтобы ее амплитуда оставалась пренебрежимо малой, а частота переключений могла быть практически реализуемой.

Таки| образом, предлагаемое устройство обеспечивает линеаризацию нелинейностей, присущих электромагнитным исполнительным органам и за счет этого достигается улучшение динамических и статических характеристик системы управления ЭИО 1.

Расчет и реализация алгоритма управления по сравнению с прототипом благодаря понижению порядка описывающих систему дифференциальных уравнений упрощается.

Формула изобретения

Устройство для управления электромагнитным приводом, содержащее выводы для подключения обмотки управления, датчики тока обмотки управления и положения подвижной части исполнительного органа, дифференциатор, вход которого связан с выходом датчика положения, блок нелинейности, реализующий квадратич1Р-то зависимость ,y током обмотки управле1:ия и моментом элект- ромагнитно1-о исполнительного привода, вход которого связан с выходом датчика тока, и линейный регулирующий блок, входы которого соединены соответственно с выходами датчика положения, дифференциатора и выводами для подключения источников задающих сигналов по положению и скорости, отличающееся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности, в устройство введен усилитель с боль- щим коэффициентом усиления, (5, 1 Де - U и суммируюи(ий блок, выход усилителя, через датчик тока соединен с обмоткой управления, его вход подключен к выходу блока суммирования, первый вход которого связан с блоком нелинейности, а второй вход подключен к выходу линейного регулирующего блока, которое вырабатывает управляющий сигнал согласно выражению:

ig(C-Jag)0+ (0-,Ta)(I)-t-JaQ еадд +

+ Jay ,

где ig управляющий сигнал;

С - коэффициент жесткости нагРУ

304ной пружины; J - момент инерции подвижной

части;

91617471- О

«г

а( и а -коэффициенты обратных связей Ж- коэффициент вязкого трения; по положению и скорости Q

подвижной части ЭИО соответ- , „ - задание по положению и ско- ственно;рости соответственно,

Ы и (О - соответственно положение и

скорость подвижной части

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнитного исполнительного органа пропорционального действия, когда требуется отработка управляющих воздействий с высокой точностью. Целью изобретения является упрощение устройства и повышение надежности. Устройство содержит электромагнитный исполнительный орган 1, включающий обмотку 2 управления, датчики тока 4 обмотки управления и положения 5 подвижной части исполнительного органа, дифференциатор 6, вход которого соединен с выходом датчика положения, блок 11 нелинейности, вход которого связан с выходом датчика тока, линейный регулирующий блок 7, на входы которого подаются сигналы с датчика положения, дифференциатора и задающие сигналы. Введен усилитель 3 с "большим" коэффициентом усиления K = 1/ε, где ε →0. Предложенное устройство обеспечивает лианеризацию нелинейностей, присущих электромагнитным исполнительным механизмам, за счет чего достигается улучшение динамических и статических характеристик устройства. 1 ил.