Устройство для ограничения динамических усилий механизмов экскаватора Советский патент 1993 года по МПК E02F9/20 

--&--

Сущность изобретения: пять сумматоров 1-5, источник сигнала задания 6, регулятор напряжения 7, регулятор тока двигателя 8, двигатель 9, датчик напряжения 10, датчик тока двигателя 11, датчик упругого момента 12, регулятор и задатчик абсолютного значения упругого момента 13, 14, регулятор и задатчик производной упругого момента 15, 16, блок определения модуля упругого момента 18, блок определения производной упругого момента 19. 2 ил.

(pt/.i

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах механизмов экскаваторов, буровых установок, а также прокатных станов и других машин.

Известно устройство для ограничения динамических нагрузок в механизме экскаватора, В устройстве используется постоянно действующая обратная связь по производной крутящего (упругого) момента, заведенная на вход контура тока, с неизменяемой постоянной времени. Недостатком устройства является то, что при настройке величины постоянной времени на работу в режиме стопорения затягиваются процессы по скорости исполнительного механизма в пуско-тормоз ных режимах и следовательно, снижается производительность, в то же время при настройке этой величины на работу в пуско-тормозных режимах не обеспечивается достаточного демпфирования упругих колебаний в механических передачах, возникающих в режиме стопорения и следовательно, не обеспечивается требуемое ограничение динамических усилий. Кроме того, отсутствие обратной связи по абсолютной величине упругого момента может приводить к недопустимым динамическим усилиям.

Здесь и далее под пуско-тормозными режимами работы понимаются режимы разгона, копания с моментом нагрузки не превышающим стопорного, замедления, реверса и т.п.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, представляющее собой двухконтурную систему подчиненного регулирования координат электропривода постоянного тока с внутренним контуром тока якоря и внешним контуром напряжения, в котором для ограничения динамических нагрузок в механизме вводится гибкая обратная связь по упругому моменту. Обратная связь вводится на,вход контура регулирования тока через нелинейное звено с однозначной характеристикой зоны нечувствительности. Эта связь начинает действовать при превышении упругим моментом стопорного значения.

Известное устройство обладает следующими недостатками. Сигнал гибкой обратной связи по упругому моменту имеет пропорциональную и дифференциальную составляющую, т.е. зависит как от амплитуды, так и от скорости изменения момента. Введение обеих составляющих через одну и ту же зону нечувствительности не может одновременно обеспечить требуемое ограничение упругого момента по модулю и требуемую динамику переходного процесса

(апериодическую или близкую к ней форму кривой момента). При соблюдении одного из требований может нарушаться второе и наоборот. Кроме того, включение и отключение демпфирующей обратной связи по упругости моменту производится через звено с однозначной характеристикой зоны нечувствительности при переходе моментом через стопорное значение. В стопорных и

0 близких к ним режимах момент может колебаться около стопорного значения, следовательно, за время отработки возмущающего воздействия контур регулирования упругого момента будет многократно замыкаться

5 и размыкаться, причем этот процесс становится колебательным и будет зависеть от начальных значений координат электропривода, при которых произошел наброс стопорной нагрузки. В пуско-тормозных

0 режимах, когда упругий момент не превышает стопорного значения, гибкая обратная связь по моменту отключена. Следовательно, отсутствует возможность использования ее для улучшения качества работы

5 электропривода в таких режимах.

Целью данного изобретения является снижение динамических усилий и улучшение степени демпфирования упругих электромеханических колебаний.

0 При этом достигается следующий эффект:

уменьшение максимальных значений усилий в рабочем оборудовании экскаватора увеличивает надежность и долговечность

5 оборудования и, следовательно, снижает простои и эксплуатационные затраты;

улучшение демпфирующей способности электропривода кроме того ведет к уменьшению длительности переходных

0 процессов, т.е. к сокращению времени рабочего цикла и увеличению производительности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для ограничения динамических

5 усилий в механизме экскаватора, включающее датчик напряжения, подключенный к одному входу первого сумматора, к другому входу которого подсоединен выход источника сигнала задания, выход первого суммато0 ра подключен через регулятор напряжения к первому входу второго сумматора, ко второму входу которого подключен датчик тока, датчик упругого момента, введены задатчик абсолютного значения упругого момента,

5 задатчик производной упругого момента, задатчик минимального значения производной упругого момента, регуляторы абсолютного значения упругого момента и производной упругого момента, блоки опре- деления модуля упругого момента и производной модуля упругого момента, третий, четвертый и пятый сумматоры, при этом, выход задатчика абсолютного значения упругого момента подключен к одному входу четвертого сумматора, выход которого через регулятор абсолютного значения упругого момента соединен с первым входом третьего сумматора, выход которого подключен к третьему входу второго сумматора, выход задатчика производной упругого момента подключен через пятый сумматор к первому входу регулятора упругого момента, выход датчика упругого момента соединен с другим входом четвертого сумматора и через последовательно соединенные блок определения модуля упругого момента и блок определения производной упругого момента к другому входу пятого сумматора и второму входу регулятора упругого момента, к третьему и четвертому входам которого подключены соответственно выходы задатчика минимального значения упругого момента и источника сигнала задания, а выход регулятора упругого момента подключен к другому входу третьего сумматора.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - нелинейная характеристика регулятора абсолютного значения упругого момента; на фиг.З - нелинейная характеристика регулятора производной упругого момента; на фиг.4, 5 - варианты.

Устройство состоит из сумматоров 1-5, источника сигнала задания 6, регулятора напряжения 7, регулятора тока двигателя 8, двигателя 9 с механизмом и вентильным преобразователем, датчиков напряжения 10, тока двигателя 11 и упругого момента 12, регулятора 13 и задатчика 14 абсолютного значения упругого момента (ту), регулятора 15 и задатчика 16 производной упругого момента (ту ), задатчика 17 минимального значения производной упругого момента, блока определения модуля упругого момента 18 и блока определения производной упругого момента 19. Источник сигнала задания 6, сумматор 1, регулятор 7 напряжения, сумматор 2, регулятор 8 тока двигателя и двигатель 9 образуют последовательное соединение. Выходы датчиков 10 напряжения и 11 тока двигателя соединены со вторыми входами сумматоров 1 и 2 соответственно. На третий вход сумматора 2 подключен выход сумматора 3, на входы которого заведены выходы регуляторов абсолютного значения 13 и производной 15 упругого момента. Вход регулятора 13 соединен с выходом сумматора 4, на входы которого подключены выходы задатчика 14

абсолютного значения производной ту и выход датчика 12 упругого момента. На входы регулятора 14 производной ту подключены выходы сумматора 5, блока

определения производной ту 19, задатчика 17 минимального значения производной ту и второй выход источника сигнала задания 6. На входы сумматора 5 включены выходы задатчика 16 производной ту и блока

определения производной 19, который с блоком определения модуля ту 17 и датчиком 12 упругого момента образует последовательное соединение.

Сумматоры 1-5 имеют единичный коэффициент передачи во всем диапазоне изменения управляющих воздействий.

Источник сигнала задания 6 формирует сигнал задания на скорость требуемой формы, определяя темп разгона электродвигателя, а также выдает сигнал г при поступлении команды на реверс.

Регулятор напряжения 7. например, пропорционально-интегральный, служит для регулирования скорости электропривода.

Регулятор 8 служит для регулирования тока (или электромагнитного момента) электродвигателя 9 постоянного или переменного тока.

Датчики 10 и 11 образуют контуры обратных связей, выходные сигналы их пропорциональны,соответственно, напряжению и току двигателя.

Датчик 12 упругого момента формирует на выходе сигнал, пропорциональный моменту (ту) в упругом элементе между двигателем и исполнительным механизмом,

Звенья регулятора 13 и задатчика 14 абсолютного значения упругого момента реализуют требуемый закон регулирования

соответствующей величины, Нелинейная характеристика регулятора 13 приведена на фиг.2. Коэффициент передачи регулятора равен нулю, если ту находится в пределах ±туз(туз const). В остальном диапазоне

изменения ту коэффициент передачи К имеет заранее установленное значение, которое определяется при конкретных значениях параметров экскаватора методами математического моделирования.

Звенья регулятора 15 и задатчика 16 производной упругого момента, а также задатчика 17 минимального значения производной реализуют закон регулирования производной упругого момента. Нелинейная характеристика регулятора 15 приведена на фиг.З. Коэффициент передачи регулятора может принимать два значения: Ki -для пуско-тормозных режимов (прямая da) и К2 - для стопорных режимов (прямая

cb). При этом переключение Ki - К2 происходит при переходе рабочей точки через точку е в направлении от а к с. Обратное переключение (К2 - Ki) происходит в следующих случаях:

Звено 19 служит для формирования производной модуля упругого момента lmyl и обеспечивает высокую надежность работы в условиях помех, что достигается, в частности, использованием известного оптимального дифференцирующего фильтра Ланцоша.

Устройство работает следующим образом:

В пуско-тормозных режимах, в том числе в режиме копания, темп и направление изменения скорости задаются источником сигнала задания 6. Задание на ток двигателя формируется как сумма выходных сигналов регулятора скорости и регуляторов упругого момента. Регулятор производной упругого момента 15 работает на ветви еа характеристики (с коэффициентом Ki), поскольку значение lmyl не превышает сигнала туз на выходе задатчика 16. Регулятор абсолютного значения упругого момента 13 в пуско-тормозных режимах имеет нулевой коэффициент усиления. Его коэффициент принимает значение равное К в режиме на- броса нагрузки близкой к туз. При этом процесс изменения упругого момента имеет перерегулирование (30-40%) и гпу превышает груз. Следовательно, замыкается отрицательная обратная связь по абсолютному значению упругого момента и за счет этого происходит ограничение динамических уси- лий в механизме экскаватора.

В режиме стопорения при превышении значением производной модуля упругого момента значения туз рабочей становится прямая cb характеристики регулятора 14. Коэффициент изменяется скачком (Ki- K2) при переходе рабочей точки из точки е в точку п. При этом регулятор напряжения привода находится на ограничении. Обратная связь по абсолютному значению упругого момента вступает в действие при превышении ту величины туз и имеет в стопорном режиме вспомогательное значение.

При переходе от режима стопорения к пуско-тормозному режиму изменяется коэффициент усиления регулятора производной гпу с Ка на Ki. Это происходит при переключении регулятора производной ту с прямой cb на прямую da при сбросе стопорной нагрузки, когда упругий момент резко падает и его производная становится меньше отрицательной величины my min , определяемой задатчиком 13 минимального значения производной ту, а также при поступлении команды на реверс скорости от источника сигнала задания 6.

Предлагаемая структура устройства позволяет обеспечить как необходимое условие работоспособности экскаватора - ограничение абсолютного значения упругого момента, так и требуемую динамику переходных процессов изменения упругого момента и скоростей в технологических режимах за счет независимой настройки вы- ходных сигналов задатчиков 1.4 абсолютного значения и 16 производной упругого момента. При этом изменение коэффициента передачи регулятора 13 абсолютного значения упругого момента происходит в функции величины упругого момента, а регулятора 15 производной - в функции производной модуля упругого момента. Кроме того, при переходе от пуско- тормозных режимов к стопорным соответствующее переключение регулятора 15 производной происходит при превышении значения производной упругого момента величины, задаваемой задатчиком 15 производной, обратное же переключение настройки произойдет только при уменьшении величины производной до минимальной (отрицательной) величины, определяемой задатчиком 17 минимального значения производной. Таким образом, во время отработки стопорного воздействия исключаются переключения настройки регулятора, что позволяет сформировать требуемую форму переходной кривой упругого момента и избежать колебательности, возникающие в известном устройстве из-за использования в регуляторе однозначной характеристики зоны нечувствительности. Связь между источником сигнала задания 6 и регулятором 15 производной упругого момента позволяет сменить настройку регулятора, соответствующую режиму стопорения, на настройку, соответствующую пуско-тормозным режимам, сразу же после получения команды на реверс вне зависимости от величины производной упругого момента в это время и от настроек задатчика 16 производной и задатчика 17 минимального значения производной. Сохранение стопорной настройки замедлило бы процесс реверса и снизило производительность работы экскаватора.

Формула изобретения Устройство для ограничения динамиче- ских усилий механизмов экскаватора, включающее датчик напряжения, подключенный к одному входу первого сумматора, к другому входу которого подсоединен выход источника сигнала задания, выход первого сумматора подключен через регулятор напряжения к первому входу второго сумматора, к второму входу которого подключен датчик тока, датчик упругого момента, отличающееся тем, что, с целью снижения динамических усилий и улучшения степени демпфирования упругих колебаний, оно снабжено задатчиком абсолютного значения упругого момента, задатчиком производной упругого момента, задатчиком минимального значения производной упругого момента, регулятором абсолютного значения упругого момента и

производной упругого момента, блоками определения модуля упругого момента и производной модуля упругого момента, третьим, четвертым и пятым сумматорами, при этом выход задатчика абсолютного значения упругого момента подключен к одному входу четвертого сумматора, выход которого через регулятор абсолютного значения упругого момента соединен с первым входом третьего сумматора, выход которого подключен к третьему входу второго сумматора, выход задатчика производной упругого момента подключен через пятый сумматор к первому входу регулятора упругого момента, выход датчика упругого момента соединен с другим входом четвертого сумматора и через последовательно соединенные блок определения модуля упругого момента и блок определения производной модуля упругого момента подключен к другому входу пятого сумматора и второму входу регулятора упругого момента, к третьему и четвертому входам которого подключены соответственно выходы задатчика минимального значения упругого момента и источника сигнала задания, а выход регулятора упругого момента подключен к другому входу третьего сумматора.

Фиг. J

Фиг. 4.

Фиг. 5.