Электропривод постоянного тока

 

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

„„533 1815785 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

>s Н 02 P 5/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 4

«gg, йц

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ I;-::,",:::;.";:."-:.": - :::;-„!

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ юг.1 (21) 4949520/07 (22) 26.06.91 (46) 15.05.93. Бюл. N 18 (71) Институт машиноведения Уральского отделения АН СССР (72) В.П.Мазунин (56) Авторское свидетельство СССР

М 760366, кл. Н 02 P 5/06, 1978. (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) 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

1815785

15

35

40 скорости 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

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 характеристики регуляторов, нелинейных преобразователей и графики, процесса изменения тока двигателя; на фиг.3 приведена диаграмма работы блока контроля.

Злектропривод 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 реобеспечивают 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. гулятора тока, измеритель скорости 21, образующий совместно с импульсным преобразоватвлем 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

31, логического формирователя разрешения

32, логического преобразователя знака 33, три выхода которого соединены с тремя входами узла совпадения на элементах

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 перaoro релейным элементов 12,11,10, соединенными с третьими входами соответственно регуляторов ускорения 7. скорости

5, положения 4. На третьи входы релейным элементах 12, t1,10 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 из1815785

10 элемента с зоной нечувствительности 18, вы- 15 ход которого соединен с общей точкой резистора 19 и конденсатора 20.

25 мерителя 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

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 тиристорного 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, 30

55 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 ограничение 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 Ilo 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 — пч, время — t.

Характеристики и графики на фиг,2 содержат переходную функцию 34 и переходный процесс 35 в контуре тока, координаты: ток двигателя I, скорость в, ускорение й, крутизна нарастания тока i5 среднее значение крутизны С, перемещение р, контрольные уровни задания тока!з . !за, выходные сигналы нелинейных преобразователей

16,17, соответственно U>, Uz, выходной сикнал 0з, входной суммарный сигнал V4 и зона нечувствительности h3 релейных элементов, эоны линейности Л1, h2 регуляторов

5 и 4. Относительно фиг.1 имеется соответствие для регулятора ускорения 7: у = Й . х = ® — и при Оз = 0 от элемента 12, для регулятора скорости 5: у = 6, х мз — в при 0з = 0 от элемента 11, для регулятора положения 4: у = вз, х= =уз — p = при Оз=0 от элемента 10, причем р является выходным сигналом задатчика 3. На

1815785 характеристиках отмечены Й, йи,вм максимальные, ограниченные значения соответствующих координат, N1, а, йо, No po — контрольные точки.

Характеристики регуляторов 4,5,7 и нелинейных преобразователей 16,17 симметричнь1 относительно муля и определяются динамическими параметрами в малом, ограничениями координат и установленной мощностью электропривода с независимой настройкой; Графики l(s}, а(1) иллюстрируют

10 динамику, причем процесс 35 отличается от процесса 34 тем, что срабатывает элемент с зоной нечувствительности 18, ограничивающий крутизну нарастания тока, что происходит при задании !зг на уровне скорости, близком к максимальному вц, или при приближению к ограничению регулятора 9. Характеристика. регулятора 7 в (йз — й) линейная с коэффициентом, выбираемым при настройке на желаемую форму переходной функции 34 (например, с

20 качественно аналогичным 34. По переходному процессу 35, когда 1ю - йр, оп- . ределяется, например, графическим дифференцированием, график в (t), где фиксируется среднее значение С, примененное в нелинейных характеристиках, и максимальное вм, являющееся уровнем ограничения на выходе регулятора 7.

Нелинейные характеристики для определенности приведены для часто встречающихся условий йо <йм,во <в, Ро <16ц, т.е. для случая выхода на ограничение всех координат в, й, Й в переходных процессах, При этом для регулятора 5 вз = 2 С (вз — в) при О «вз «аи с переходом в характеристике и (в -в) к линейной зоне Л 1 скачком при низком коэффициенте усиления, либо с переломом при высоком коэффициенте усиления.

Для регулятора 4

50 аь = (а4/2 С) (1 + (8 C /é4) (дь - ф) - 1) при где при перерегулированием 4...5 }. Линейные участки характеристик регуляторов 4 и 5, т.е. в пределах линейных зон Л1, Ь2 также 25 выбираются с коэффициентами, соответствующими переходным функциям cp(t),N (т), 0 «<вз <в2 с аналогичным переходом в характеристике в, (+ — rp) к линейной зоне Л2.

Для нелинейного преобразователя 17

02 =аР/2 С при 0 <9 «<йм.

Для нелинейного преобразователя 16

01 = йр/2 йм + в йм/2 С

ПРИ В2 SN

llew = в/С при 0 «в «аа.

Для других условий, когда одна или несколько координат не достигают ограничений, вычисляется их максимальное значение по этим же выражениям, используются части указанных характеристик от этих максимальных значений до нуля с соответствующим пересчетом масштабов.

В характеристиках Оз(04) релейных элементов 10,11,12 зоны нечувствительности

63 выбираются соответственно для каждого контура в пределах линейной эоны регуляторов с отстройкой от реально существующих пульсаций в суммарном входном сигнале (помех), причем .Л 3 использована на срабатывание. в то время как сброс выходного сигнала 0з происходит при V4-0, чем фиксируются с максимальной точностью этапы переходного процесса, в том числе его окончание с помощью блока контроля 23.

На диаграмме фиг,3 работы блока контроля 23 сигналы помечены номерами элементов.по фиг.1, что соответствует сигналам у, р, на выходах 32,31,29,30,33 (модули 0з от.10,11,12) и выходному сигналу блока 23.

Формирователь разрешения 32 выполняет снятие блокирующего сигнала со второго входа триггера 24,25 в самом начале работы привода, в том числе фиксирует исходное состояние привода: при включении привода, при нуле задания. на выходе 32 удерживается нулевой сигнал, а после первого изменения сигнала ма выходе задатчика 3 и в дальнейшем вплоть до выключения привода формирователь 32 выдает единичный сигнал. Поэтому, любое изменение сигнала на выходе задатчика 3, включая переходы к нулю и через нуль, отрабатываются с управлением триггером 24,25 только по первому и третьему входам.

Электропривод постоянного тока работает следующим образом. 8 исходном состоянии электродвигатель 1 неподвижен, с

1815785 .

10 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 беэусловно 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, Бугуляторы 4,5,7 находятся в нуле, благодаря

35 нулю рассогласований на их входах, привод неподвижен. При этом, если на двигатель 1

5

30 дет происходить движение с постоянной скоростью, если регулятор положения 4 остается на ограничении. Как только на входе релейного элемента 10 наступит равенство 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 направлении — 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 элемента 10, благодаря сигналу через нелинейный преобразователь 16. При приближении рассогласования по положению к нулю произойдет переключение релейного элемента 11 в нуль, а вслед за ним, после 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 входах 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 перебрасывает триггер на выдачу сигнала блокировки релейных элементов 12,11,10, переключение которых прекращается до подачи новой команды на перемещение. Редействует статическая нагрузка, на выходе регулятора тока 8 останется соответствующее напряжение, накопленное на конденсаторе 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 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 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 велика и регулятор ускорения окажется на насыщении вместе с инвертирующим усилителем 6, в злектроприводе не происходит накопления ошибок регулирования, т,к. действует контур тока, фактически отключенный от остальных контуров управления, не

1815785

12 задатчика, работа электропривода повто- 25

50

55 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 s 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 рится по очередному изменению задания, причем с одинаково высокой точностью отрабатываются изменения задания и набросы 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 тиристорноro преобразователя может быть выполнена на микропроцессорном комплекте с возрастануем возможностей в приспособлении к параметрам конкретного электропривода.

Формула изобретения.

1. Электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, якорная обмотка которого соединена с регулируемым преобразователем, последовательно включенные регулятор напряжения с интегратором и регулятор тока, в цепи обратной связи которого включены резистор и конденсатор, общая точка которых подключена к выходу нелинейного элемента с зоной нечувствительности, вход нелинейного элемента с зоной нечувствительности соединен с выходом регулятора напряжения, вход регулируемого преобразователя соединен с выходом интегратора, последовательно соединенные задатчик, регулятор положе5

20 ния, регулятор скорости, а также датчики скорости и положения, соединенные с вторыми входами соответствующих регуляторов, два нелинейных преобразователя, вход 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 л ича ю щийс я тем,что, с цельюповышения 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.

2. Электропривод по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введен блок контроля, содержащий триггер, выход которого соединен с четвертыми блокирующими входами первого, второго и третьего релейных элементов, а первый вход триггера соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом узла совпадения, содержащего три входа, соединенные через. логический преобразователь знака 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, 1815785

1815785

Составитель В.Мазурин

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1643 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5