Электропривод постоянного тока Советский патент 1993 года по МПК H02P5/06 

Фаг.1

скорое™ 5 и тока 8 так, что до ограничения тока работает контур ускорения, а при ограничении тока работает контур тока с безынерционным отслеживанием состояния координат привода-ускорения, скорости, положения. Логические элементы 32, 33

обеспечивают разрешение работы, релейных элементов 10,11,12 при возникновении рассогласования по управлению, а блокировка наступает в конце переходного процесса в момент совпадения нулевого состояния всех трех релейных элементов. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Использование: может быть использовано в электроприводах нажимных устройств, манипуляторов, ножниц на прокатных станах. Сущность: в данном устройстве регулятор 7 и инвертирующий усилитель 6 включены между регуляторами

Электропривод постоянного тока относится к электротехнике и может быть использован с управлением от регуляторов с последовательной коррекцией при повышенных требованиях к точности и быстродействию по перемещению, скорости, ускорению, с воздействием по возмущению и управлению. Например, таковыми являются электроприводы нажимных устройств, манипуляторов, ножниц или следящие электроприводы летучих ножниц на прокатных станах в металлургии с отработкой различных по величине и знаку перемещений.

Целью изобретения является повышение точности управления и расширение области применения электропривода за счет обеспечения системы регуляторов ускорения, скорости, положения, характеристики которых выбираются при постоянстве крутизны тока якоря двигателя и однозначном соответствии количества переключений релейных элементов характеру графика отработки рассогласований по положению, скорости, ускорению привода и не зависят от уровня статических нагрузок.

На фиг. 1 приведена схема электропривода постоянного тока; на фиг.2 даны харак- теристики регуляторов, нелинейных преобразователей и графики,процесса изменения тока двигателя; нафиг.З приведена диаграмма работы блока контроля.

Электропривод постоянного тока содержит двигатель 1, подключенный к регулируемому преобразователю 2, задатчик 3, последовательно соединенные по первым входам нелинейные регулятор положения 4, регулятор скорости 5, линейный инвертирующий усилитель 6, имеющий ограничение, линейный с ограничением регулятор ускорения 7, регулятор тока 8, регулятор напряжения 9 с интегратором, релейные элементы 10,11,12 соответственно-первый, второй и третий, датчик положения 13, импульсный преобразователь 14, датчик тока 15, нелинейные преобразователи 16,17 соответственно-первый и второй, нелинейный элемент с зоной нечувствительности 18, резистор 19 и конденсатор 20 соединенные последовательно в цепи обратной связи регулятора тока, измеритель скорости 21, образующий совместно с импульсным преобразователем датчик скорости, измеритель ускорения 22, который на основе информации из датчика скорости представляет собой датчик ускорения, блок контроля 23, состоящий из триггера на элементах 24,25, узла совпадения на элементах 26,27,28,29, элемента задержки 30, индикатора рассогласования с импульсным формирователем

26,27,28,29, выход которого через элемент задержки 30 подключен на первый вход триггера. На второй вход триггера подключен выход логического формирователя разрешения 32, и на третий вход триггера

подключен выход индикатора 31. Выход блока контроля 23 соединен с четвертыми входами релейных элементов 10,11,12. Первый, второй, третий входы блока контроля 23 соединены с первым и вторым входами

индикатора рассогласования 31 и со входом логического формирователя разрешения 32 и соответственно с выходами датчика положения 13 и задатчика 3. Четвертый, пятый и шестой входы блока контроля соединены со

входами логического преобразователя знака 33 и с выходами третьего, второго и первого релейных элементов 12,11,10, соединенными с третьими входами соответственно регуляторов ускорения 7, скорости

5, положения 4. На третьи входы релейных элементах 12,11,10 включены соответственно выход измерителя ускорения 22, первый выход измерителя скорости 21, выход датчика положения 13, причем выход измерителя

ускорения 22 соединен со входом второго нелинейного преобразователя 17, выход которого включен на первый вход второго релейного элемента 11, а первый выход измерителя скорости 21 соединен со входом

первого нелинейного преобразователя 16, выход которого включен на первый вход первого релейного элемента 10. Второй выход измерителя скорости 21 соединен со входом измерителя ускорения 22. а вход измерителя скорости 21 соединен с выходом импульсного преобразователя 14, Выход регулятора ускорения 7 соединен с первым входом инвертирующего усилителя 6, второй вход которого соединен с датчиком тока 15 и со вторым входом регулятора тока 8, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 6. Выход регулятора тока 8 соединен с первым входом регулятора напряжения 9, второй вход которого соединен с выходом регулируемого преобразователя 2, а выход - со входом интегратора, подключенного ко входу преобразователя 2, и - со входом нелинейного элемента с зоной нечувствительности 18, выход которого соединен с общей точкой резистора 19 и конденсатора 20.

Импульсный преобразователь 14 совместно с измерителем скорости 21 образуют датчик скорости, имеющий дополнительный второй выход для измерителя ускорения и выполненный по известной схеме эквивалентного апериодического звена 6, позволяющего выделить сигналы для контроля скорости и ускорения с оптимальной фильтрацией и компенсацией переменной составляющей, пульсаций. При этом датчик ускорения с измерителем 22 по существу является преобразователем сигнала со сглаживанием первичных бросков, характерных для входных сигналов интегратора в составе этого апериодического звена. Импульсный преобразователь 14 и датчик положения 13 жестко связаны с валом двигателя 1. Соединение элементов 9.8,18.19,20 позволяет в контуре регулирования тока исключить излишнее накопление выходного напряжения регулятора тока 8 в периодах, когда напряжение на выходе регулятора 9 достигает ограничения, что фактически равносильно попаданию на ограничение напряжения реверсивного тири- сторного преобразователя 2 по углу отпирания тиристоров, устанавливаемое с целью предотвращения коротких замыканий в силовой части из-за опрокидывания в инверторных режимах. Инвертирующий усилитель 6 имеет ограничение выходного напряжения, например, с помощью стабилитронов, такое, что, если выходное напряжение его будет равно задающему для максимального тока на входе регулятора тока 8, изменение выходного напряжения инвертирующего усилителя 6 прекращается, чем обеспечивается необходимое регулирование тока двигателя 1 на уровне ограничения с помощью регулятора тока 8. При любом другом уровне тока двигателя 1 происходит компенсация обратной связи по току через инвертирующий усилитель 6,

благодаря чему выходной сигнал регулятора ускорения 7 передается на вход регулятора тока 8 при разомкнутой обратной связи по току от датчика тока 15. При работе на огра- ничение тока, наоборот, происходит регулирование и ограничение тока двигателя без воздействия регулятора ускорения 7 до момента, пока сумма сигналов на входе инвертирующего усилителя 6 не приведет к

снижению его выходного напряжения. Тем самым используется один регулятор 8 при регулировании ускорения и тока.

Регуляторы 7,5,4 настроены по коэффициенту усиления на модульный оптимум по

устойчивости, характерный в системах подчиненного регулирования. Для больших рассогласований они имеют нелинейные характеристики вход-выход, обеспечивающие формирование сигналов при ограничениях

по любой из координат внутренних контуров (скорости, ускорения)и по их сочетаниям.

Ограничение напряжения на выходах регуляторов 4,5,7 соответствует ограничению по заданию регулируемой координаты. Релейные элементы имеют зону нечувствительности, соответствующую величине линейной зоны, в каждом контуре с учетом отстройки от помех в сигналах, а амплитуду выходного напряжения - достаточную для

выведения на ограничение выходного напряжения регулятора ускорения 7 в любом режиме переключений.

На фиг.1 обозначены также суммарный входной сигнал каждого блока - х, выходной

сигнал - у, уровень ограничения регулятора напряжения - к, величина зоны к, величина зоны нечувствительности нелинейного элемента 18 - т, время - t.

Характеристики и графики на фиг,2 содержат переходную функцию 34 и переходный процесс 35 в контуре тока, координаты: ток двигателя I, скорость (о , ускорение 6) , крутизна нарастания тока ш, среднее значение крутизны С, перемещение р, контрольные уровни задания тока 1з1, i32, выходные сигналы нелинейных преобразователей 16,17, соответственно Ui, U2, выходной сигнал 1)з, входной суммарный сигнал U4 и зона нечувствительности ДЗ релейных элементов. зоны линейности Д1. Д2 регуляторов 5 и 4. Относительно фиг.1 имеется соответствие для регулятора ускорения 7: у #э, х Аз - и) при Us 0 от элемента 12, для регулятора скорости 5: у йь, х

шз - (о при Us 0 от элемента 11, для регулятора положения 4: у Одз, х узз - р при от элемента 10, причем рз является выходным сигналом задатчика 3. На

71815785 8

характеристиках отмечены им , Ам ,О)м - 0 (Оэ caz

максимальные, ограниченные значенияс аналогичным переходом в характеристисоответствующих координат, tui.ojz,ке а)з (рз .- #) к линейной зоне Л2.

йЛо , УЬ #Ь - контрольные точки.Для нелинейного преобразователя 17

Характеристики регуляторов 4,5,7 и не-5

линейных преобразователей 16,17 симмет-Uz o /2C при )йм. ричны относительно нуля и определяются

динамическими параметрами в малом, огра-для нелинейного преобразователя 16 кичениями координат и установленной

мощностью электропривода с независимой10 .. 3.. , л /0 г

настройкой. Графики l(t),)иллюстрируютUi-ur/Zdv.+o dV«/Z С динамику, причем процесс 35 отличается от

процесса 34 тем, что срабатывает элемент спри .ВДг - й - аязоной нечувствительности 18, ограничива- ---

ющий крутизну нарастания тока, что про-1$ Ui (W3/C при 0 а(У2. исходит при задании 1з2 на уровне

скорости, близком к максимальному ov,,Для других условий, когда одна или не- или при приближению к ограничению ре-сколько координат не достигают ограниче- гулятора 9. Характеристика регулятора 7ний, вычисляется их максимальное а)з ( - й) линейная с коэффициентом, вы-20 значение по этим же выражениям, исполь- бираемым при настройке на желаемую фор-зуются части указанных характеристик от му переходной функции 34 (например, сэтих максимальных значений до нуля с соот- перерегулированием 4...5%). Линейные уча-ветствующим пересчетом масштабов, стки характеристик регуляторов 4 и 5, т.е. вВ характеристиках 11з(и4) релейных эле- пределах линейных зон А1.Д2 также 5 ментов 10,11,12 зоны нечувствительности выбираются с коэффициентами, соответст-A3 выбираются соответственно для каж- вующими переходным функциям #(t),u (t),дого контура в пределах линейной зоны качественно аналогичным 34. По пере-регуляторов с отстройкой от реально суще- ходному процессу 35, когда 1з2 tffc, оп-ствующих пульсаций в суммарном входном ределяется, например, графическим. сигнале (помех), причем А 3 использована дифференцированием, график о (t), гдена срабатывание, в то время как сброс вы- фиксируется среднее значение С, приме-ходного сигнала 11з происходит при , ненное в нелинейных характеристиках, ичем фиксируются с максимальной точно- максимальное о5м.являющеесяуровнемог-стью этапы переходного процесса, в том раничения на выходе регулятора 7.35 числе его окончание с помощью блока контНелинейные характеристики для опре-роля 23.

деленности приведены для часто встречаю- а диаграмме фиг.З работы блока контщихся условий dfe . Ыо а) , ро рмроля 23 сигналы помечены номерами эле, т.е. для случая выхода на ограничение всехд« ментов по фиг. I, что соответствует сигналам

координат (о, 6), и) в переходных про-РЗ ,.# на выходах 32,31,29,30,33 (модули Ua

цессах. При этом для регулятора 5от 10,11,12) и выходному сигналу блока 23.

Формирователь разрешения 32 выполняет

/и, - Vo г /ft. йЛ ппи п rflkснятие блокирующего сигнала со второго

саз- 2 С («,-«) (ле входа триггера 24,25 в самом начале работы

с переходом в характеристике45 ПрИ8Ода( й том числе фиксирует

& («з -со) к линейной зоне А1 скачкомс;стоянив ПрИВОда: при включении привопри низком коэффициенте усиления, либо сда при иулв задания, -на выходе 32 удержипереломом при высоком коэффициенте уси-Вается нулевой сигнал, а после первого

.сп изменения сигнала на выходе задатчика 3 и

для регулятора 450 в дальнейшем вплоть до выключения приво.„ j--- - .------.да формирователь 32 выдаёт единичный

(Оз - ( С) (1 + (8 Cz/wgi) (рз - р) - 1)сигнал. Поэтому, любое изменение сигнала

на выходе задатчика 3, включая переходы к

при нулю и через нуль, отрабатываются с управ- од Ј(0з 5Шм55 лением триггером 24,25 только по первому где .ай ш&/С:и третьему входам.

у .2Электропривод постоянного тока рабоQh - С (р3 - р)тает следующим образом. В исходном соПРИстоянии электродвигатель 1 неподвижен, с

выхода задатчика 3 сигнал равен сигналу от датчика положения 13, датчики скорости 14, 21, ускорения 22, тока 15 выдают нулевое напряжение, регуляторы и релейные элементы выдают нулевое напряжение. В блоке контроля 23 через формирователь 32 выдается нулевой сигнал запрета на второй вход триггера 24,25, с выхода триггера нулевым сигналом заблокированы релейные элементы 10,11,12 так. что они не реагируют на состояния входных сигналов. На первом входе триггера 24,25 действует нулевой сигнал, т.к. нули на выходах релейных элементов 10,11,12 совпадают- При нуле сигнала от задатчика 3 датчик положения 13 также выдает нулевое напряжение.

В момент подачи сигнала задания положения с выхода задатчика 3 этот сигнал передается через регулятора 4,5,7,6,8,9 с их ограничениями и вызывает вращение двигателя. Одновременно, по третьему входу блока контроля 23 через формирователь 32 .Снимается сигнал запрета со второго входа триггера, а индикатор рассогласования 31 выдает нулевой кратковременный импульс на третий вход триггера, вызывая переход выходного сигнала блока контроля 23 в единичное состояние на разблокирование релейных элементов 10,11,12. Релейные элементы выдают сигналы на третьи входы регуляторов 4,5,7 так, что они безусловно вызывают выход регулятора 7 на ограничение и нарастание тока двигателя с заданным темпом. Разгон двигателя 1 сопровождается появлением сигналов ускорения, скорости, положения. Первым устанавливается ускорение на максимум, согласно уровню ограничения на выходе регулятора скорости 5. При достижении максимума ускорения релейный элемент 12 устанавливается в нуль (на первом входе установлен нуль-сигнал). Разгон продолжается при ненулевых сигналах на выходах релейных элементов 10,11, т.е. при, заданном ускорении. Ток двигателя установится по величине, равным алгебраической сумме динамической и статической составляющих. При разгоне с заданием скорости от выхода регулятора 4, с учетом сигнала через нелинейный преобразователь. 17, релейный элемент 11 переключится в нуль, чем вызовет изменение знака задания на выходе регулятора ускорения 7 с аналогичной описанному выше отработкой ускорения до нуля, с переключением релейного элемента 12 в обратном направлении и далее - в нуль. При равенстве сигналов на входе регулятор скорости 5 выдает нулевое напряжение, релейный элемент 12 переключится в нуль при нуле на выходе релейного элемента 11. Будет происходить движение с постоянной скоростью, если регулятор положения 4 остается на ограничении. Как только на входе релейного элемента 10 наступит равенство 5 сигналов, его выходной сигнал переключается в нуль, что приводит к снижению выходного напряжения регулятора положения 4 со скачком и вызывает срабатывание релей-, ных элементов 11 и 12 в обратном направ0 лении - на задание тормозного ускорения и на снижение скорости до нуля с одновременным снижением выходного напряжения регулятора положения 4. Торможение происходит при нуле на выходе релейного эле5 мента 10, благодаря сигналу через нелинейный преобразователь 16. Прм приближении рассогласования по положению к нулю произойдет переключение релейного элемента 11 в нуль, а вслед за ним, после

0 отработки спада тока - переключение релейного элемента 12 в нуль. Это последнее переключение приведет к совпадению всех трех нулевых сигналов релейных элементов 12,11,10 на четвертом, пятом и шестом вхо5 дах блока контроля 23. Узел совпадения на элементах 26,27.28,29 переключается в нуль, а через время задержки переключается в нуль элемент 30, вследствие чего на первом входе триггера нулевой сигнал пере0 брасывает триггер на выдачу сигнала блоки- ровки релейных элементов 12,11,10, переключение которых прекращается до подачи новой команды на перемещение. Регуляторы 4,5,7 находятся в нуле, благодаря

5 нулю рассогласований на их входах, привод неподвижен. При этом, если на двигатель 1 действует статическая нагрузка, на выходе регулятора тока 8 останется соответствующее напряжение, накопленное на конденса0 торе 20. а сигнал тока, измеренный датчиком тока 15 и действующий на втором входе регулятора тока 8, окажется скомпенсированным выходным сигналом инвертирующего усилителя 6, на второй вход

5 которого подан тот же сигнал с датчика тока 15. Фактически при наличии обратной связи по ускорению от измерителя 22 в устройстве обеспечивается астатизм скорости по нагрузке при пропорциональном регуляторе

0 скорости 5. Это в свою очередь позволяет применить устройство при набросах и сбросах нагрузки в любом месте переходного процесса с отработкой аналогично описанному выше. Кроме того, если нагрузка вели5 ка и регулятор ускорения окажется на насыщении вместе с инвертирующим усилителем 6, в электроприводе не происходит накопления ошибок регулирования, т.к. действует контур тока, фактически отключенный от остальных контуров управления, не

содержащих накапливающих (интегрирующих) элементов. Релейные элементы не переключаются до тех пор, пока не наступит переход выходного напряжения инвертирующего усилителя 6 от насыщения к зоне регулирования.В блоке контроля 23 формируется соответствующий сигнал разрешения по третьему входу для всех этих видов сигналов (наброс нагрузки, задание перемещения), чтобы обеспечить разблокировку релейных элементов 12,11,10, участвующих в формировании переходного процесса. В частности, при набросе нагрузки достаточно выполнить сигнал разрешения в функции динамического рассогласования по скорости и перемещению или по перемещению , возникающего непосредственно после наброса нагрузки, что и использовано в устройстве на входе индикатора рассогласования 31.

После отработки рассогласования по .положению, т.е. после достижения равенства сигналов от датчика положения и от задатчика, работа электропривода повторится по очередному изменению задания, причем с одинаково высокой точностью отрабатываются изменения задания и набро- сы нагрузки до окончания переходного процесса.

Электропривод выполнен на базе типовых электродвигателя, тиристорного реверсивного преобразователя с раздельным управлением, известных датчиков, а также регуляторов, нелинейных и релейных преобразователей и логических элементов из серии аналоговых и дискретных микросхем с соответствующим включением 7. Вся система управления до входа тиристорного преобразователя может быть выполнена на микропроцессорном комплекте с возрастанием возможностей в приспособлении к параметрам конкретного электропривода.

Формула изобретения.

одного из которых соединен с входом регулятора скорости и с датчиком скорости, три релейных элемента, первый и второй из которых подключены выходами к третьим входам регуляторов положения и скорости,

первые входы этих релейных элементов соединены с выходами нелинейных преобразователей, вторые входы соединены соответственно с выходами задатчика и регулятора положения, а третьи входы - с датчиком положения и датчиком скорости, о т личающийся тем, что, с целью повышения точности управления и расширения области применения, в него введены пропорциональный регулятор ускорения,

инвертирующий усилитель с ограничением, датчик ускорения, вход которого соединен с дополнительным выходом датчика скорости, а выход - с входом второго нелинейного преобразователя, третьим входом третьего

релейного элемента и вторым входом регулятора ускорения, первый вход которого соединен с выходом регулятора скорости, и с вторым входом третьего релейного элемента, выход которого соединен с третьим входом регулятора ускорения, выход регулятора ускорения соединен с первым входом инвертирующего усилителя, второй вход которого соединен с вторым входом регулятора тока, выход инвертирующего

усилителя соединен с первым входом регулятора тока, при этом нелинейные преобразователи и регулятор скорости реализуют нелинейные характеристики.

соответственно, с выходами первого, второго и третьего релейных элементов, второй вход триггера соединен с выходом логического формирователя разрешения, вход которого подключен на выход задатчика, а

третий вход триггера соединен с выходом индикатора рассогласования с импульсным формирователем, два входа которого соединены соответственно с выходом задатчика и выходом датчика положения.

i (

7

o