Способ управления электроприводом постоянного тока

 

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА с гармоническим задающим сигналом, согласно , которому определяют жёлаемьй переходный процесс электропривода с помощью его модели, измеряют амплитуды .переменных составляющих напряжений на выходе модели и пропорционального частоте вращения электропривода, определяют отношение указанных амплитуд , измеряют фазы переменных составляющих напряжения на вых.оде модели и напряжения, пропорционального частоте вращения,электропривода, сравнивают их, определяя фазовый сдвиг, отличающийся тем, .что, с целью улучшения динамических показателей путем расширения полосы пропускания частот электропривода, дополнительно определяют амплитуду (Л переменной составляннцей задающего, с напряжения и при отношении упомянутых амплитуд напряжений . меньшем единицы уменьшают, а при отношении амплитуд большем единицы увеличивают амплитуду переменной составляющей задающего напряжения пропорционально указанСП ному отношению, а также сдвигают фазу о го переменной составляющей задающего напряжения в сторону опережения на величину фазового сдвига между переменными составляющими напряжений .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

4(51) Н 02 Р 5 06

\ списочник изоьгкткния

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3513051/24-07 (22) 25.11.82 (46) 15.04.85. Бюл. Р 14 (72) В.В.Аржанов, В. .Егоркин и В. С. фадеев (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электротехники при

Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники и Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте (53) 621 313.718.5(088.8) (56) 1. Боровиков М.А., Инешин А.П .

Способ коррекции систем автоматического регулировани .. -"Электричество", 1972, и 9, с. 59-63.

2. Теория автоматического регулирования. Под ред. В.В.Солодовникова, кн. 3, ч. 2, М.,- "Машиностроение", 1969, с. 314-315.

3. Башарин A.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Учебное пособие для вузов.

Л., Знергоиздат, 1982, с. 295-302. (54)(57) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЗЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА с гармоническим задающим сигналом, согласно которому определяют желаемый переходный процесс электропривода с помощью

его модели, измеряют амплитуды переменных составляющих напряжений на выходе модели и пропорционального частоте вращения электропривода, определяют отношение указанных амплитуд, измеряют фазы переменных составляющих напряжения на выходе модели и напряжения, пропорционального частоте вращения,электропривода, сравнивают их, определяя фазовый сдвиг, отличающийся тем, .что, с целью улучшения динамических показателей путем расширения полосы пропускавия частот электропривода, дополнительно определяют амплитуду переменной составляющей задающего. напряжения и при отношении упомянутых амплитуд напряжений. меньшем единицы уменьшают, а при отношении амплитуд большем единицы увеличивают амплитуду переменной составляющей задающего напряжения пропорционально указанному отношению, а также сдвигают фазу переменной составляющей задающего напряжения в сторону опережения на величину фазового сдвига между переменными составляющими напряжений.

1150721

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управлению автоматизированными электроприводами постоянного тока и предназначено для быстродействующих электроприводов механизмов подач металлорежущих станков с устройством числового программного управления.

Известен способ упреждающей коррекции в быстродействующем электро- 1О приводе постоянного тока, заключающийся в том, что производят сравнение напряжений с выхода эталонной модели, формирующей заданные динамические характеристики электропривода и выходного напряжения электропривода (скорости электродвигателя), а также формирование напряжения обратной связи корректирующим устройством в зависимости от величины ошибки между упомянутыми напряжениями, которое поступает на выход соответствующего регулятора системы электропривода постоянного тока как отрицательная обратная связь (1) .

Недостатком известного способа являются низкие динамические показатели, а именно малая величина полосы пропускания частот электропрнвода. Это объясняется тем, что происходит опре-З деление ошибки регулирования в электроприводе (ошибки между напряжением с выхода эталонной модели и выходным напряжением тахогенератора (дат1ика частоты вращения электропривода), З5 которая при гармоническом входном напряжении не разделяется на составные части,т ° е. была ли ошибка в электроприводе по фазе (сдвиг по фазе выходного гармонического напряжения 4О датчика частоты вращения электропривода) или по амплитуде (уменьшение амплитуды гармонического напряжения датчика частоты вращения электропривода по сравнению с амплитудой вход- 5 ного гармонического напряжения). При этом в динамических режимах в электроприводе постоянного тока с наличием различных нелинейностей, ухудшающих ,динамические свойства электропривода,50 увеличивается ошибка регулирования, которая приводит к увеличению компенсирующего напряжения, поступающего на один из регуляторов электропривода..

Однако это компенсирующее напряжение 55 не определяет, какая ошибка регулирования была в электроприводе (по амплитуде или по фазе), а является интегральной величиной этих двух ошибок регулирования при гармоническом задающем напряжении. И ошибка регулирования в системе электропривода лри таком способе уменьшается незначительно. При этом в электроприводе могут возникнуть субгармонические колебания скорости и тока, или система электропривода будет вообще неустойчива из-за того, что на один из регуляторов подается .большой компенсирующий сигнал, который не приводит к компенсации динамической ошибки в электроприводе. Для исключения в электроприводе субгармонических колебаний будут занижены динамические свойства электропривода, т.е. будет существенно уменьшена предельная полоса пропускания частот.

Известен также способ управления системой электропривода с эталонной моделью, заключающийся в том, что сравнивают напряжение с выхода эталонной модели н напряжение обратной связи и в функции ошибки регулируют коэффициент усиления в системе электропривода с помощью корректирующего устройства (2 .

Недостатком данного способа управления являются также низкие динамические свойства электропривода постоянного тока, а именно малая величина полосы пропускания частот. Это объясняется следующим. В данном способе осуществляется сравнение выходного напряжения эталонной модели и выходного напряжения датчика скорости и при несоответствии упомянутых напряжений в электроприводе постоянного тока увеличивается коэффициент усиления. Однако при входном гармоническом напряжении не определяется была ли ошибка в системе электропривода фазовая или амплитудная, т.е. был ли большой фазовый сдвиг в фазочастотной характеристике электропривода или была большая амплитудная ошибка в амплитудночастотной характеристике электропривода. Это ведет к тому, что в электропрнводе при больших фазовых или амплитудных ошибках резко увеличивается коэййициент усиления. Но ошибка. регулирования в системе элект ропрнвола уменьшается незначительно из-за того, что при гармоническом залающем напряжении наблюлается большой базовый слвиг гармонического

1150721 напояжения тахогенеоатооа (особенно при больших частотах запаюшего напряжения), а по известному способу он не опрепеляется. Значительное увеличение коэФФициента усиления может привести к возникновению субгармонических колебаний скорости и тока при наличии в электроприводе вентильнога преобразователя (управляемого выпрямителя или широтно-импульсного 10 преобразователя), а также вывести систему электропривода за границы устойчивости. Все это приводит к необходимости существенного ограничения коэффициента усиления в электроприводе для устранения указанных явлений и к занижению предельных динамических показателей электропривода постоянного, тока, а именно к сужению полосы пропускания частот электропривода.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления электроприводом постоянного тока с гармоническим задающим сигналом, согласно которому определяют желаемый переходный процесс электропривода с помощью его модели, измеряют амплитуды переменных ,составляющих напряжений на выходе модели и пропорционального частоте вращения электропривода, определяют отношение указанных амплитуд,.измеряют фазы переменных составляющих напряжения на выходе модели и напря35 жения, пропорционального частоте вращения электропривода, и сравнивают их, определяя фазовый сдвиг (3) .

Недостатком известного способа управления также являются невысокие динамические свойства электропривода, а именно малая величина полосы пропускания частот. Это объясняется тем, что регулирование частотных характеристик ло данному способу производится с помощью регулятора только в нескольких точках частотной характеристики, а это не позволяет плавно и на всех частотах входного гармонического сигнала стабилизиро- вать частотную характеристику электропривода постоянного тока.

Цель изобретения — улучшение динамических показателей путем расширения полосы пропускания частот электропри- 55 вода.

Укаэанная цель достигается тем, что согласно способу управления электроприводом постоянного тока с гармоническим задающим сигналом, по которому определяют желаемый переходной процесс электропривода с помощью его модели, измеряют амплитуды переменных составляющих напряжений на выходе модели и пропорционального частоте вращения электропривода, определяют отношение указанных амплитуд, измеряют фазы переменных составляющих напряжений на выходе модели и напряжения, пропорционального частоте вращения элект ропривода, сравнивают их, определяя фазовый сдвиг, дополнительно определяют амплитуду переменной составляющей задающего напряжения и при отношении упомянутых амплитуд напряжений меньшем единицы уменьшают, а при отношении амплитуд большем единицы. увеличивают амплитуду переменной составляющей задающего напряжения пропорционально указанному отношению, а также сдвигают фазу переменкой составляющей задающего напряжения в сторону опережения на величину фазового сдвига между переменными составляющими напряжений.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, реализующего способ; на Фиг. 2 — Функциональная схема блока коррекции.

Устройство (Фиг. 1) сопержит последовательно соединенные регулятор 1 частоты вращения, регулятор 2 тока, тиристорный преобразователь 3, электродвигатель 4, последовательно с якорем которого включен шунт 5, выходом соединенный с датчиком 6 тока, подключенным к второму входу регулятора 2 тока, датчик 7 частоты вращения, установленный на валу электродвигателя 4. и подключенный к второму входу. регулятора 1 частоты вращения, эталонную модель 8, входом соединенную с входом электропривода, блок коррекции 9, дифференцирующие звенья 10 и 11, формирователи 12 и

13 амплитуды, блоки деления 14-16, функциональные преобразователи

17 и 18, сумматор 19, причем выход

4 эталонной модели 8 подключен к входу первого дифференцирующего звена 10, выходом соединенного с входом формирователя 12 амплитуды и с входом блока 14 деления,, второй вход которого соединен с выходом формирователя 12 амплитуды, выход блока 14 деления подключен к входу функци1150721 онального преобразователя 17, выход которого соединен с первым. входом сумматора 19, выходом подключенного к первому управляющему входу блока 9 коррекции, второй вход сумматора 19 5 соединен с выходом функционального преобразователя 18, вход которого подключен к выходу блока 15 деления, первым входом соединенного с выходом дифференцирующего звена 11, а входом- 10 с выходом формирователя 13 амплитуды, вход которого соединен с выходом дифференцирующего звена 11, входом соединенного с выходом датчика 8 частоты вращения, выход формирбвателя 1>

13 амплитуды подключен к первому входу блока 16 деления, к второму входу которого подключен выход формирователя 12 амплитуды, а выход блока 16 деления соединен с вторым 20 управляющим входом блока 9 коррекции, вход которого подключен к выходу электропривода, а вход к входу регулятора 1 частоты вращения.

Блок 9 коррекции состоит из инвер- 25 тирующего усилителя 20, дифференцирующего звена 21, усилителя 22 с переменным коэффициентом усиления, фазовращателя 23 и сумматора 24, причем выход инвертируинцего усилите- 3о ля 20 подключен к первому входу сумматора 24, к второму входу которого подключены последовательно соединенные дифференцирующие звено 21, усилитель 22 с переменным коэффициентом усиления и фазовращатель 23, выход дифференцирующего звена подключен также к второму входу инвертирующего усилителя 20.

Устройство работает следующим 4р образом.

Последовательно соединенные регулятор 1 частоты вращения, регулятор

2 тока, тиристорный преобразователь 3, электродвигатель 4, последовательно 45 с якорем которого включен шунт 5, выходом соединенный с датчиком б тока, подключенного к второму входу регулятора 2 тока, датчик 7 частоты вращения, установленный на валу SO электродвигателя 4 и подключенный к второму входу регулятора 1 частоты вращения, образуют двухконтурную систему с подчиненным регулированием параметров. 55

Задающее напряжение, поступающее на вход системы электропривода посто.янного тока, подается также на вход эталонной модели 8, которая формирует эталонную динамическую характеристику электропривода и также амплитуднофазовую характеристику (АФХ) с заданной полосой пропускания частот и заданным показателем колебательности

Выходное напряжение эталонной модели 8 поступает на дифференцирующее звено 10, осуществляющее выделение переменной составляющей в выходном напряжении эталонной модели 8.

Данное напряжение мбжно представить в виде А, @и (Qg), т.е. как синусоидальную составляющую. Это напряжение поступает на вход формирователя 12 амплитуды и на вход блока 14 деления.

Формирователь 12 амплитуды формирует амплитуду выходного напряжения дифференцирующего звена 10, т. е. выделяет модуль этого напряжения. Если входное напряжение формирователя амплитуды A sin (ЫФ), то его выходное напряжение будет й, . Напряжение с выхода формирователя 12 амплитуды поступает на входы блоков 14 и 16 деления. На выходе блока 14 деления формируется напряжение вида ъп (Mt)« синусоидальная составляющая выходного напряжения эталонной модели 8 в относительных единицах, т.е. независимо от амплитуды вь1ходного напряжения эталонной модели 8. Напряжение с выхода блока 14 деления поступает на вход функционального преобразователя 17, имеющего арксинусную характеристику и формирующего напряжение вида иФ, которое поступает на вход сумматора 19. С выхода датчика 7 частоты вращения напряжение пЬступает на вход дифференцирующего звена 11, осуществляющего выделение переменной составляющей в выходном напряжении датчика частоты вращения.

Данное напряжение можно представить в виде А зю (Mt + g). Оно поступает на вход формирователя 13 амплитуды и на вход блока 15 деления, Формирователь 13 амплитуды формирует амплитуду выходного напряжения диффе1 ренцирующего звена 11, т. е. выделяет модуль этого напряжения. Если на вход его поступает напряжение в виде

hz sin (at + g), то выходное напряжение будет h< . Напряжение с выхода формирователя 13 амплитуды поступает на входы блоков 15 и 16 деления. На выходе блока 15 деления формируется напряжение в виде 6 n (f4t + Q ) 11507 синусоидальная составляющая выходного напряжения датчика частоты вращения в относительных единицах, т.е, независимо от амплитуды напряжения датчика частоты вращения.

Напряжение с выхода блока 15 деления поступает на вход функционального преобразователя 18, имеющего арксинусную характеристику и формирующего напряжения вида (И + g ) . Данное 10 напряжение поступает на второй вход сумматора 19 и на его выходе формируется; напряжение вида, пропорциональное фазовой ошибке (фазовому сдвигу в электроприводе на опреде- 15 ленной частоте), показывающее расхождение фазочастотной характеристики электропривода постоянного тока по сравнению с эталонной фазочастотной характеристикой, которая форми- 20 руется эталонной моделью 8. Напряжение с выхода сумматора 19 поступает на управляющий вход блока 9 коррекции.

На первый вход блока 16 деления 25 поступает напряжение А1 с выхода формирователя,12 амплитуды, а на второй вход поступает напряжение А с выхода формирователя 13 амплитуды.

При этом на выходе блока 16 деления

hf формируется напряжение вида -, проня порциональное амплитудной ошибке, показывающее во сколько раз изменяется амплитуда в амплитудно-частотной характеристике электропривода по сравнению с эталонной амплитудой в амплитудно-частотной характеристике, которая формируется эталонной моделью 8. Напряжение с выхода блока

16 деления поступает на второй управляющий вход блока 9 коррекции. В блоке коррекции происходит регулирование амплитуды и фазы переменной составляющей задающего напряжения всего

45 электропривода постоянного тока.

Происходит это следующим образом.

Пусть задающее напряжение электропривода можно представить в виде 50

В + С ctn (М ), т.е. как сумму постоянной составляющей В и переменной синусоидальной составляющей С sin ы1

Тогда на выходе дифференцирующего звена 21, осуществляющего выделение 55 переменной составляющей, будет напряжение вида С gjnv4, которое поступает на вход инвертирующего усилителя

21 8

20, на выходе которого будет присут:ствовать лишь постоянная, составляюI щая задающего напряжения электропривода, а именно величина В. Данное напряжение поступает на вход сумматора 24, на второй вход которого подается скорректированное напряжение переменной составляющей задающего напряжения электропривода через уси1 литель 22 с переменным коэффициентом, усилитель и фазовращатель 23. Переменная составляющая задающего напряжения С яви с выхода дифференцирующего звена 21 поступает на,вход усилителя 22 с переменным коэффициентом усиления, управление коэффициентом усиления которого осуществляется

А напряжением вида вЂ, поступающим с

А2 блока 16 деления. Выходное напряжение усилителя 22 можно представить в

Ас виде С -- ч ву которое поступает

Ф на фазовращатель 23, осуществляющий сдвиг по фазе задающего напряжения в функции управляющего напряжения вида

А можно записать в виде С вЂ” 6ю (Ы -Ч )

А

Выходное напряжение сумматора 24 мож4 но записать в виде В+С-- %in (M< — g ), 4q т.е. на выходе сумматора 24, выход которого является выходом блока 9 коррекции, формируется напряжение, постоянная составляющая которого не изменяется, а переменная синусоидальная составляющая корректируется как по амплитуде, так и по фазе, причем на величины, пропорциональные амплитудной ошибке и фазовой ошибке в электроприводе.

Допустим, в быстродействующем электроприводе постоянного тока имеются различного вида нелинейности, ухудшающие динамические свойства, а именно сужающие полосу.пропускания частот и увеличивающие показатель колебательности в электроприводе (найример, насыщение регуляторов частоты вращения и тока, кривая нели1150721 10 питакицей сети.

55 нейного токоограничения для высокомоментного электродвигателя, зона нечувствительности в характеристике полупроводникового преобразователя, наличие нелинейности, связанной с режимом прерывистых токов в преобразователях с раздельным управле- . нием, наличие нелинейного момента сухого трения в электродвигателе и т.д,) и на вход электропривода подается напряжение гармонической формы.

Причем полоса пронускания частот быстродействующего электропривода. постоянного тока для электроприводов механизмов подачи металлорежущих станков с ЧПУ оценивается по двум условиям: уменьшение амплитуды напряжения на выходе датчика. частоты вращения на 0,7 от амплитуды этого же напряжения на частоте 0,5 Гц или, что однозначно, уменьпгение коэффициента усиления замкнутого электропривода на 3 дБ и наличие в системе электропривода фазового сдвига между задающим гармоническим напряжением и напряжением с вь|хода датчика частоо ты вращения 90, т.е. полоса пропускания частот в быстродействующем электроприводе будет максимальной, если одно из указанных условий достигнет своего предельного значения.

В электроприводе с наличием различного вида нелинейностей происходит изменение амплитудно-фазовой характеристики электропривода, т.е. изменение величины амплитуды выходнОго напряжения датчика 7 частоты вращения по сравнению с задающим напряжением и наличие фазового сдвига между укаэанными напряжениями. При этом на выходе формирователей 12 и

13 амплитуды формируются амплитуды напряжений эталонной модели 8 и датчика частоты вращения 7 и на блоке

16 деления формируется напряжение, пропорциональное отношению этих величин, и данным напряжением происходит изменение коэффициента усиления усилителя 22, который регулирует амп.литуду переменной составляющей, поступающей на вход электропривода.

Допустим, что в электроприводе ,постоянного тока произошло сужение полосы нропускания — резко уменьшилась амплитуда напряжения датчика частоты вращения. При этом уменьшается и величина амплитуды напряжения

Ig,. поступающая с формирователя 13

50 амплитуды, и.на выходе блока 16 деления возрастает напряжение в связи. с тем, что величина амплитуды напряже- ния с выхода эталонной модели 8, т.е. напряжение вида 1, не меняется.

Возросшее напряжение. блока 1 6 деления увеличивает коэффициент усиления усилителя 22, который увеличивает амплитуду переменной составляющей, поступающей на вход электропривода.

В электроприводе возрастает при этом амплитуда напряжения с датчика частоты вращения и происходит расширение полосы пропускания частот.

Допустим, в электроприводе уменьшилась полоса пропускания частот из-за большого фазового сдвига между задающим напряжением и напряжением датчика 7 частоты вращения. При этом на выходе сумматора 19 формируется напряжение, пропорциональное данному фазовому сдвигу (, которое поступает на управляющий. вход фазовращателя 23, осуществляющего сдвиг по фазе переменной составляющей входного напряжения, поступающего на вход регулятора 1 частоты вращения электропривода. И в этом случае происходит сдвиг по фазе напряжения гармонической формы на выходе датчика 7 частоты вращения и, тем самым, уменьшается фазовый сдвиг между напряжением датчика частоты вращения и задающим напряжением. В электроприводе происходит расширение полосы пропускания частот и улучшение динамических свойств.

Электропривод, выполненный по пред. лагаемому способу управления, имеет высокие динамические показатели, причем полоса пропускания частот определяется заданной полосой пропускания частот эталонной модели (параметрами эталонной модели) и предельными динамическими воэможностями силовой части быстродействующего электропривода (тиристорный преобразователь-электрою двигатель). Полоса пропускания частот может достигать граничной (согласно теореме Котельникова) и равной

ink где N — число фаз, 1 — частота

Применение предлагаемого способа управления в быстродействующих электроприводах постоянного тока и устройства для его осуществления приводит к повышению производительности меха11

11 низмов, например, в механизмах подач металлорежущих станков с ЧПУ повышается производительность труда за счет уменьшения времени, затрачиваемого на обработку деталей вследствие

50721 12 повышения динамических свойств электропривода механизма подачи, а именно расширения полосы пропускания частот электропрнвода и сокращения времени протекания переходных процессов, 1150721

Составитель В. Кузнецова

Техред С.Легеза

Редактор К. Волощук

КорректоР В. Синицкая

Заказ 2158/42

Тираж 646

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открцтий

113035, Москва, Ж-35, Раувская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Способ управления электроприводом постоянного тока Способ управления электроприводом постоянного тока Способ управления электроприводом постоянного тока Способ управления электроприводом постоянного тока Способ управления электроприводом постоянного тока Способ управления электроприводом постоянного тока Способ управления электроприводом постоянного тока Способ управления электроприводом постоянного тока 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам управления реверсивными вентильными электроприводами постоянного тока с раздельным управлением групп вентилей преобразователя, и может быть использовано в металлургической, бумагоделательной и других отраслях промышленности

Изобретение относится к электротехнике, в частности к позиционным электроприводам постоянного тока, и может быть использовано для автоматизации металлорежущих станков, электромеханических роботов и других механизмов

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам стабилизации угловой скорости, построенным на принципе контура фазовой синхронизации, в которых в качестве датчика обратной связи используется сельсин или многополюсный синусно-косинусный вращающийся трансформатор

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам стабилизации угловой скорости, построенным на принципе контура фазовой синхронизации, в которых в качестве датчика обратной связи используется сельсин или многополюсный синусно-косинусный вращающийся трансформатор

Изобретение относится к системам стабилизации скорости вращения двигателей постоянного тока

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления для регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока
Наверх