Асинхронный следящий привод Советский патент 1981 года по МПК G05B11/14 

Изобретение относится к следящим системам и приводам с обратной связью По положению, исполнительным элементом которых является асинхронный трехфазный двигатель. Известны системы частотного управлеНИН с корректировкой по частоте тока ротора асинхронного двигателя. Обратная связь в этом известном приводе осуществляется с помощью датчика скорости. ДоCtoHHCTBOM такого привода является воз- можность регулирования в широком диапазоне при высоком КПД 1} Однако в этом приводе не обеспечивается достаточная жесткость механических характеристик, что обусловлено невозможностью получения достаточно высокого коэффициента усиления корректирующего контура. Поэтому этот привод невозможно Использовать в качестве точного широкоДиапазонного привода подач рабочего орга на металлорежущего станка. Для повышения точности работы привода целесообразно использовать niieo6paзователь угловых перемещений в код в качестве датчика обратной связи. Наиболее близким к предлагаемому является привод, содержащий интегратор, последовательно соединенные двигатель, сннусно-косинусный датчик, первый умножитель и первый вычитатель, первый функциональный преобразователь, вькод которого связан со вторым входом первого умножителя, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь и второй умножитель, второй вход которого связан со вторым выходом синусно-косинусного датчика, а выход соединен со вторым входом первого вычислителя Q Недостатком известного привода является ограниченное быстродействие. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапозона регулирования асинхронного следящего привода с преобразователем угловых перемещений в код. Поставленная цель достигается тем, что в асинхронный следящий привод введены третий умножитель, первый сумматор. генератор пилообразных сигналов, першит переключатель кодов, таймер, последовательно соединенные аналого-цифровой пре образователь и второй сумматор, последо вательно соединенные четвертый умножитель, второй вычитатель, пятый умножитель, третий сумматор, первый компаратор, второй переключатель кодов, четвертый сумматор, последовательно соединенные блок задания констант, шестой умножитель, третий функциональный преобразователь, седьмой умножитель, втсрой компаратор, блок ключей, последовательно соединенные преобразователь код-чаотота, пятьй сумматор и четвертый функциональный преобразователь, последовательно соединенные пятый функциональный преобразователь восьмой умножитель и третий компаратор, последовательно соединенные шестой функциональный преобразователь, девятый умножитель и четвертый компаратор, последовательно соединенные блок переменных коэффициентов и второй интегратор, первый вход аналого-цифрового преобразователя связан с выходом первого вычитателя, второй вход второго сумматора связан с первым выходом первого интегратора, первый вход .дсоторого связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход четвертого умножителя связан со вторым выходом первого интегратора, первый вход третьего умножителя связан с выходом аналого-цифрового преобразователя а выход связан с третьим входом третьего сумматора, выходы блока ключей свя заны с обмотками. асинхронного двиратеЛ вход преобразователя код-частота связан с вькодом второго переключателя 1содов, выход четвертого функционального преобразователя связан со вторым входом седьмого умножителя, вход пятогь функционального преобразователя связан с выходом -пятого сумматора, выход третьего компаратора связан со вторым входом блока ключей, вькод пятого сумматора связан со входом шестого функционального гфеобразователя, выход четвертого компаратора связан с третьим входом блока ключей, второй выход первого интегратора связан со входом блока пере менньк коэффициентов, вькод второго интегратора связан с третьим входом третьего сумматора, первый вход первого сумматора связан с первым выходом первого интегратора, второй вход соединен с вькоДом аналого-цифрового преобразователя, а вькод связан со вторым входом второго вычитателя, вькод генератора пилообразных сигналов связан со ) вторыми входами второго, третьего и четвертого компараторов, первый вход первого переключателя кодов связан с выходом третьего сумматора и с первым входом второго переключателя кодов, второй вход соединен с вькодом первого компаратора, а третий вход связан со вторым выходом блока задания констант, вторым входом первого компаратора и третьим входом второго переключателя кодов, а выход соединен со вторым входом третьего функционального преобразователя, вькоды таймера связаны со вторыми входами первого интегратора, аналого-цифрового преобразователя, преобразователя кодчастота и второго интегратора, третий вход которого связан с выходом второго вычитателя, второй вход третьего мно-. жительного устройства соединен со вторым выходом блока переменных коэффициентов, третий выход которого связан со вторым входом третьего умножителя, второй вьрсод первого интегратора соединен со вторым входом четвертого сумматора, вькод которого связан со вторым входом шестого умножителя, третий выход блока задания констант соединен со вторым входом четвертого умножителя, первый выход первого интегратор ра связан со входом пятого сумматора, третий вход которого соединен с вькодом аналого-цифрового преобразователя, вторые входы восьмого и девятого умножителей связаны с выходом третьего функционального преобразователя. На чертеже представлена блок-схема асинхронного следящего привода с преобразователем угловых перемещений в код. Асинхронный следящий привод содержит синусно-косинусньА датчик 1 угла, асинхронный двигатель 2, первый и второй умножители 3 и 4, первьй вычитатель 5, аналого-цифровой преобразователь 6, первый интегратор 7, таймер 8, второй сумматор 9, первый и второй функционапьньге преобразователи 10 all, первый сумматор 12, второй вычитатель 13, четвертый и пятый умножители 14 и 15, второй интегратор 16, третий сумматор 17, третий умножитель 18, перBbffi компара.тор 19, второй и первый переключатели 20 и 21, блок 22 задания констант, четвертый сумматор 23, преобразователь 24 код-частота, шестой умножитель 25, третий функциональный преобразователь 26, пятьй сумматор 27, четвертый, пятый и шестой функциональные преобразователи 28-30, соответственно, седьмой, восьмой н девятый умножители 31-33, второй, третий и четвертый компараторы 34-36, генератор 37 пилообразных сигналов, блок 38. ключей и блок 39 переменных коэффициентов. Асинхронный следящий привод с преобразователем угловых перемещений в код работает следующим образом. Сигнал с первого выхода синусно- косинусного датчика 1 угла, кинематически связанного с ротором асинхронного двигателя 2, поступает на вход первого умножителя 3, а сигнал со второго выхода Датчика 2 угла поступает на первый вход второго умножителя 4, выход которо го связан с первым, входом первого вы- читателя 5. Второй вход первого вычитателя 5 свя зан с выходом первого умножителя 3, а выход вычитателя 5 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 6, вы ход которого поступает на первый вход первого цифрового интегратора 7. Постоя ная интегрирования первого интегратора 7 задается таймером 8, первьй вькод кото рого соединен со вторым входом интегратора 7. Выход аналого-цифрового преобра зователя 6 и первый выход первого интех ратора 7 связаны соответственно с первым и вторым входами второго сумматор 9, выход которого связан со входами первого и второго функциональных преобразователей Ю и 11. На выходах первого и второго функциональных преобразо вателей Ю и 11 формируются двоичные коды, представляющие собой квадратурные симметричные треугольные функции содержимого второго сумматора 9. Выхвды функциональных преобразователей 10 и 11 связаны со вторьп 1И входами первого и второго умножителей 3 и 4 соответственно. Блоки 1, 3-7 и . 9-11 образуют преобразователь угловых перемещений ротора асинхронного двигателя 2 в код, причем содержимое второго сумматора 9 соответствует текущему зна чению угла поворота, содержимое первого интегратора 7 - частоте вращения, а код на выходе аналого-цифрового преобразователя 6 - ускорение ротора асинхронного двигателя 2. На первый вход первого сумматора 12 поступает код задания от системы ЧПУ, а второй и третий входы этого сумматора 12 связаны соответственно с выходом первого интегратора 7 и с выходом аналого-цифрового преобразователя 6, причем содержимое сумматора 12 соответ ствует коду рассогласования между заданием и отработкой. Второй выход первого интегратора 7 связан с первым входом четвертого умножителя 14, выход которого связан с первым входом второго вьгчн- тате ля 13, а вькод первого сумматора 12 связан со вторым входом второго вычита- теля 13, выход которого связан с первыми входами пятого умножителя 15 и второго цифрового интегратора 16. Постоянная интегрирования второго интегратора 16 задается таймером 8, второй выход которого соединен со вторым входом второго интегратора 16. Выходы пятого умножителя 15 н второго интегратора 16 связаны соответственно с первым и вторым входами третьего сумматора 17, третий вход которого связан с выходом аналого-цн4рового преобразователя 6 через умножитель 18. На выходе третьего сумматора 17 формируется код управления, который опись вается следующим выражением ()3i, где К - код управления; задание, поступающее от системы ЧПУ-, Чдй - угол поворота poToiia acи Dcpoнного Двигателя 2; Чл - частота вращения ротора двигателя 2; - ускорение ротора Двигателя 2, К,У;,К2, - коэффициенты передачи соответственно множительных устройств 15, 14 и 18, К - постоянная интегрирования второ го интегратора 16, Кодовой сигнал с выхода сумматора 17 поступает на первые входы первого компаратора 19 и второго и первого переключателей 20 и 21 кодов. Выход первого компаратора 19 связан со вторыми входами первого и второго переключателей 21 и 2О кодов. Третьи входы перелючателей 2 О и 21 кодов и второй вход первого компаратора 19 связаны с первым выходом блока 22 задания констант. Вькод второго переключателя 2О кодов связан с первыми входами четвертоо сумматора 23 и преобразователя 24 од-частота. На второй вход сумматора 23со второго выхода первого цифрового интегратора 7 поступает код частоты вращения ротора асиьсхронного двигатея 2. На второй вход преобразователя 24код-частота поступает непрерывная последовательность viMnynbcoe с третьего выхода таймера 8. Выход четвертого сумматора 23 связан с первым входом умножителя 25, на второй вход которого со второго выхода блока 22 задания констант поступает, эталонньй сигнал. Выход шестого умножителя 25 связан с первым входом треть его функционального преобразователя 26, второй вход которого связан с выходом первого переключателя 21 кодов. Выход преобразователя 24 код-частота связан с первым входом пятого сумматора, 27, второй вход KOTqporo соединен с первым выходом первого цифрового интегратора 7. а третий вход связан с вы дом аналого-цифрового преобразователя 6 Выход пятого сумматора 27 поступает на первые входы четвертого, пятого и шестого функциональных преобразователей 28, 29 и. 30, на выходах которых формируются двоичные коды, представляющие собой симметричные треугольные функции содержимого пятого сумматора 27 и имеющие относительный фазовый сдвиг 2 Ж/3. Выходы четвертого, пятого и шестого функциональных преобразователей 28, 29 и 30 поступают соответственно на первые входы седьмого, восьмого и девятого умножителей 31, 32 и 33,вторые входы которьк связаны с выходом третьего функционального преобразователя 26. Выходы седьмого, восьмого и девятого умножителей 31; 32 и 33 связаны соответственно с первыми входами второго, третьего и адтвертого компараторов 34,35 и 36, вторые входы которьк под ключены к выходу генератора 37 пилообразных сигналов. Выходы второго, третьего и четвертого компараторов 34, 35 и 36 связаны соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 38 клю чей, выходы которого подключены ко вход ным обмоткам асинхронного двигателя. 2. Разрядность сумматора 27 выбрана такой, что при отсутствии сигналов на его первом входе содержимое этого сумматора (N ) соответствует текущему зна чению угла поворота вала синусно-коси нусного датчика 1 угла, кинематически связанного с ротором асинхронного двига теля 2. Козффицие}1т передачи седьмого, восьмого и девятого умножителей 31, 32 и 33 в этом случае описываются следующими зависимостями K Ke ntf g Xjr sKs nlKAB 1J/3) i (Ч д - 4-1/Э), где К , К, , и К - коэффициенты передачи соответственно умножителей 31, 32 и 33, 4(38 утоп поворота ротора асинхронного двигателя 2, К- коэффициент пропорциональСигналы с выходов седьмого, восьмого и девятого умножителей 31, 32 и 33 и напряжение пилообразного сигнала, поступающего с выхода генератора 37 пилообразных сигналов, сравниваются соответ. ственно на втором, третьем и четвертом компараторах 34, 35 и 36. На выходах этих компараторов формируются прямоугольные сигналы, модулированные по длительностИ в соответствии с соотношением (2). Эти сигналы управляют силовыми транзисторными ключами блока 38 ключей. При этом огибающие прямоугольных сигналов, поступающих -с выходов блока 38 ключей на обмотки асинхронного двигателя 2, изменяются в соответствии с соотношением (2.), т. е. при отсутствии сигналов на первом входе пятого сумматора 27 угловая скорость вращения в пространстве поля статора асинхронного двигателя 2 равна угловой скорости вращения его ротора. Если сигнал управляющего воздействия на выходе тре,тьбго сумматора 17 не превосходит по абсолютной величине эталонное значение постоянного сигнала, поступающего с первого выхода блока 22 задания констацт, то на выходе первого комijapaTopa 19 вырабатывается положительН ый сигнал управления первым и вторым переключателями 21 и 20 кодов. В этом случае кодовый сигнал управления с третьего сумматора 17 через второй переключатель 2О кодов поступает на первые входы четвертого сумматора 23 и преобразователя 24 код-частота, а эталонный кодовый сигнал с первого вькода блока 22 задания констант через первый переключатель 21 кодов поступает на вход третьего функционального преобразователя 26. : В этом режиме частота импульсов, формируемь1х на вькоде преобразователя 24 код-частота, пропорциональна величине управляющего воздействия. В зависимости от знака управляющего воздействия эти импульсы поступают на суммирование или вьгаитание на первый вход пятого сумматора 27. При этом справедливо следующее соотношение.,j.4 ( где fa- частота вращения в пространстве поля статора асинхронного двигателя 2; - частота вращения ротора асинхрон ного двигателя 2; л.- частота импульсов на выходе ггреобразователя 24 код-частота, С - коэффициент пропорциональности, определяемый разрядностью пятого сумматора 27. , Сигнал на вькоде четвертого суммато ра 23 соответствует частоте вращения в пространстве поля статора асинхронного двигателя 2. Величина этого сигнала опр деляется коэффициентом передачи умнонсителя 25. При этом в приводе реализуется закон частотного регулирования, описывав мый зависимостью Us/tg oonat,(4-) гдеУд- амплитудное значение напряжения огибающей модулированного по д тельности ВЧ-сигнала на одном из. выходов блока ключей; $-- частота вращения в пространстве поля статора асинхронного двига . теля 2 Если сигнал управляющего воздействия на вьЕсоде третьего сумматора 17 превосходит по абсолютной величине эталонное значение постоянного сигнала, поступающего с первого выхода блока 22 задания констант, то на выходе первого компара тора 19 вырабатывается отрицательный сигнал управления первым и вторым переключателями 21 и 2О кодов. В этом случае на первые входы четвертого сумматора 23 и преобразователя код-частота с первого выхода блока 22 задания констант через второй переключатель 20 кодов поступает эталонный сигнал, обеспечивающий получение такой постоянной раз. ности между скоростями вращения в пространстве поля статора асинхронного Двигателя 2 и ротора этого двигателя, при которой достигается оптимальное соотно- щение между током ротора н магнитным потоком, а следовательно, между потерями в меди и стали двигателя. В этом режиме управления с корректиРОБКОЙ по частоте тока ротора, сигнал управления с выхода третьего сумматора 17 через первый переключатель 21 кодов поступает на. второй вход третьего функционального преобразователя 26. При этом сигнал на выходе третьего функционального преобразователя 26 пропорционален произведению величины выход- . ного сигнала восьмого умножителя и величины, пропорциональной квадратному корню от управляющего воздействия, формируемого на выходе третьего сумматора 17. Вход блока 39 переменных коэффициентов связан со вторым выходом первого интегратора 7, Первый н второй выходы блока 39 преобразования коэффициентов связаны соответственно со вторыми входами пятого и третьего умножителя 15 и 18, а третий выход блока преобразования коэффициентов связан с третьим входом интегратора 16. Блок 39 переменных коэффициентов в зависимости от частоты вращения ротора двигателя 2 изменяет коэффициент передачи третьего и пятого множительных устройств и постоянную интегрирования второго интегратора 16 для обео печения высоких статических и динамических характеристик, привода в широком диапозоне скоростей. Достоинством предлагаемого техначеокого рещения является реализация цкфр(Ь аналогового следящего асинхронного привода, имеющего высокие .статические HI динамические характеристики в ширсжетл диапозоне скоростей при {большом КПД. Применение предлагаемого устрсЛства в промышленности позволйет заменить дефицитные и сложные в изготовлении высок ом оментные двигатели, применяемые, например, в приводах подач станков с ЧПУ, на дещевые и простые в изготовлении асинхронные двигатели. Формула изобретения Асинхронный следящий привод, содержащий первый интегратор, последователь но соединенные асинхронный двигатель, сннусно-косинусный датчик угла, первый умножитель и первый вьгаитатель, первый функциональньй преобразователь, выход которого связан со вторым входс л первого умножителя, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь и второй умножитель, второй вход которого связан со вторым вььходом синусно-косинусного датчика угла, а выход соединен со втфым входом первого вьлитателя, от-личающий-. с я Тем , что, с целью повышения точ ности и расширения диапазона регулироваАия привода, в него введены третий умножитель, первый сумматор, генератор илообразньк сигналов, первый перекпклатель кодов, таймер, последовательно 118 соединенные аналс«го-ци4ро0ой преобра;зователь и второй сумматор, последователь но соединенные четвертый умножитель, второй вычитатель, пятый умножитель, третий сумматор, первый компаратор, вто рой переключатель кодов, четвертый сумматор, последовательно соединенные блок Задания констант, шестой умножитель, третий функциональный преобразователь, седьмой умножитель вторЫ компаратор, блок ключей; последовательно соединенные преобразователькод-частота, пятый сумматор н четвертый функциональный преобразователь, последовательно соедине ные пятый функциональный преобразовател восьмой умножитель и третий компаратф последовательно соединенные шестой функциональный преобразователь, девятый . умножитель и тхетвертьй компаратор, последовательно соединенные блок переменных коэффициентов и второй интегратор, первый вход аналого-цифрового преобразователя связан с выходом первого вычитателя, второй рход второг о сумматора связан с первым выходом первого интегратора, первый вход которого связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход четвертого умножителя связан со вторым выходом первого интегратора, первый вход третьего умножителя связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход связан с третьим входом третьего сумматора, выходы блока ключей связаны с обмотками асинхрон ного двигателя, вход преобразователя код частота связан с выходом второго переключателя кодов, выход четвертого функ ционапьного преобразователя связан со вторым входом седьмого умножителя, вхо пятого функционального преобразователя связан с выходом пятого сумматора, выход третьего компаратора связан со вторым входом блока ключей, выход пятого сумматора связан со входом шестого фун ционального преобразователя, выход чет вертого компаратора связан с третьим входом блока ключей, второй выход первого интегратора связан со входом блока переменных коэффициентов, вькод второго интегратора связан с третьим входо третьего сумматора, первый вход первого 9 сумматора связан с первым выходом первого интегратора, второй вход соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход связан со вторым входом второго вычитателя, выход генератора пилообразных сигналов связан со вторыми входами второго, третьего и четвертого компараторов первый вход первого переключателя кодов связан с выходом третьего сумматора и с первым входом второго переключателя кодов, второй вход соединен с вькодом первого компаратора, а третий вход связан со вторым выходом блока задания констант, вторым входом первого компаратора и с третьим входом второго переключателя кодов, а выход соединен со вторым входом третьего функционального преобразователя, выходы таймера связаны со вторыми входами первого интегратора, аналого-цифровогопреобразователя, преобразователя код-частота и второго интегратора, третий вход которого связан с выходом второго вычи- тателя, второй вход третьего множительного устройства соединен со вторым выходом блока переменных коэффициентов, третий вькод которого связан со вторым входом третьего умножителя, второй выход первого интегратора соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход которого связан со вторым входом шестого умножителя, третий выход блока задания констант соединен со вторьшг входом четвертого умножителя, первый выход первого интегратора связан со вторым входом пятого сумматора, третий вход которого соединен с выходом аналого- цифрового преобразователя, вторые входы восьмого и девятого умножителей связаны с выходом третьего функционального преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Грузов В. А. и др. Асинхронные маломощные приводы со статическими преобразователями. Л., Энергия, 1970, с, 121. 2.Авторское свидетельство СССР N 2693501/24, кл. GO5 В 11/14, 197 8 {прототип)