Низкоскоростной прецизионный электропривод с компенсацией влияния несоосности механической передачи

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении качества отработки и регулирования малых угловых скоростей объекта управления путем компенсации погрешности, вызванной несоосностью ротора двигателя и объекта управления, в случае, когда контур обратной связи замкнут по угловому положению ротора двигателя. Низкоскоростной прецизионный электропривод с компенсацией влияния несоосности механической передачи содержит интеграторы угловой скорости, последовательно соединенные регулятор углового положения, широтно-импульсный модулятор, усилитель мощности, двигатель, который через механическую передачу связан с объектом управления, и датчики углового положения, расположенные по осям двигателя и объекта управления. В состав электропривода введено корректирующее устройство, на вход которого поступает оценивающийся им в дальнейшем сигнал рассогласования угла по оси объекта управления. А выход корректирующего устройства соединен с сумматором, в котором выходной сигнал корректирующего устройства складывается с сигналом задаваемой угловой скорости, тем самым осуществляя его корректировку с учетом параметров несоосности механической передачи. Далее измененный задаваемый сигнал угловой скорости поступает на интегратор угловой скорости ротора двигателя. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области автоматики и систем автоматического управления и регулирования. В частности к электроприводам, включающим в свой состав механическую передачу и предназначенным для прецизионной отработки низких угловых скоростей.

Уровень техники

На сегодняшний день существует несколько типов электроприводов, предназначенных для отработки угловых, в том числе и малых, скоростей.

Для реализации «классического» скоростного электропривода используется тахогенератор. Однако тахогенераторы имеют нелинейную характеристику в области малых скоростей и подвержены электромагнитным помехам, что может привести к некачественному регулированию или неустойчивой работе электропривода, так как величина полезного выходного сигнала может быть сравнима с величиной уровня шума [1].

Скоростной контур регулирования электропривода можно организовать, используя оптический датчик угла с высокой разрешающей способностью (23-26 разрядов в двоичном цифровом коде). Высокая разрядность таких датчиков позволяет использовать их для прецизионной оценки угловой скорости объекта управления и исключить необходимость применения тахогенераторов. Поэтому во многих задачах управления прослеживается тенденция к использованию в системе одного вида датчика обратной связи - углового [2]. Однако, большие габариты и масса оптических датчиков делает затруднительным их использование в системах, к габаритно-массовым характеристикам которых предъявляются жесткие требования.

Известен электропривод, в котором используется способ замыкания контура регулирования, основанный на сравнении проинтегрированной заданной угловой скорости и текущего значения углового положения объекта управления [1, 3]. Преимуществом данного электропривода является возможность отработки угловой скорости объекта управления, в том числе и малой, без использования датчика углового положения с высокой разрешающей способностью.

Недостатком данного электропривода является то, что чувствительность электропривода определяется чувствительностью датчика углового положения. При необходимости повышения чувствительности отработки задаваемой угловой скорости, в свою очередь, требуется повышение разрядности датчика углового положения, что отрицательно сказывается на экономических и габаритно-массовых параметрах электропривода.

Известен электропривод, содержащий датчик углового положения, расположенный на оси ротора двигателя [4]. При замыкании контура регулирования, основанного на сравнении проинтегрированной заданной угловой скорости, приведенной к ротору двигателя, и текущего значения углового положения ротора двигателя, можно получить повышение чувствительности отработки задаваемой угловой скорости. Недостатком такого электропривода является наличие не охваченных контуром регулирования части элементов конструкции - механической передачи и объекта управления. Вследствие этого, в создаваемую угловую скорость вращения объекта управления будет вноситься погрешность, обуславливаемая нежесткостью конструкции элементов электропривода, люфтом и несоосностью механической передачи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества отработки и регулирования малых значений задаваемых угловых скоростей объекта управления путем компенсации погрешности, вносимой несоосностью механической передачи, в случае, когда контур обратной связи замкнут по угловому положению ротора двигателя.

Сущность изобретения

В предлагаемом устройстве размещаются два датчика углового положения - по осям вращения объекта управления и ротора двигателя. Структурная схема предлагаемого электропривода представлена на фиг. 1, где И1 и И2 - интеграторы угловой скорости по осям вращения ротора двигателя и объекта управления, соответственно; РУ - регулятор углового положения; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; КУМ - ключевой усилитель мощности; Д - двигатель; МП - механическая передача; ОУ - объект управления; ДУП ОУ - датчик углового положения объекта управления; ДУП Д - датчик углового положения ротора двигателя; КУ - корректирующее устройство; N_ω - задаваемый код угловой скорости объекта управления; - расчетный код углового положения объекта управления; - расчетный код углового положения ротора двигателя; ΔN_{α_ОУ} - сигнал рассогласования контура углового положения объекта управления; ΔN_{α_Д} - сигнал рассогласования контура углового положения ротора двигателя; N_ШИМ - входное значение кода ШИМ; T_i - сигналы, управляющие работой ключевого усилителя мощности; U_i - напряжения, подаваемые на фазы двигателя; α_Д - значение углового положения ротора двигателя; α_ВВ - значение углового положения выходного вала электропривода; α_ОУ - значение углового положения объекта управления; N_ОУ - значение измеренного углового положения объекта управления; N_Д - значение измеренного углового положения ротора двигателя; N_КУ - выходной сигнал корректирующего устройства.

Интеграторы угловой скорости И1 и И2 принимают задаваемый сигнал угловой скорости объекта управления N_ω и формируют на своих выходах расчетные коды углового положения ротора двигателя и объекта управления Сигнал N_Д датчика углового положения ротора двигателя ДУП Д, жестко закрепленного на оси вращения ротора двигателя, поступает на устройство сравнения, в котором вычисляется сигнал рассогласования контура углового положения ротора двигателя ΔN_{α_Д} посредством сравнения выходного сигнала интегратора И1 с выходным сигналом N_Д датчика углового положения ротора двигателя ДУП Д.

Вычисленный устройством сравнения сигнал рассогласования контура углового положения ротора двигателя ΔN_{α_Д} поступает на вход регулятора углового положения РУ, осуществляющего коррекцию поступившего на его вход сигнала рассогласования. Структура РУ определяется в зависимости от требований назначения конкретного электропривода и предъявляемых к нему технических требований. Выходной сигнал РУ N_ШИМ подается на вход широтно-импульсного модулятора ШИМ, формирующего сигналы управления T_i ключевым усилителем мощности КУМ. В свою очередь, КУМ формирует напряжения U_i для каждой фазы двигателя Д, который через механическую передачу МП связан с объектом управления ОУ.

На оси вращения объекта управления также жестко закреплен датчик углового положения ДУП ОУ, формирующий, в зависимости от углового положения объекта управления α_ОУ, сигнал N_ОУ. Данный сигнал поступает на устройство сравнения, в котором вычисляется сигнал рассогласования контура углового положения объекта управления ΔN_{α_ОУ} посредством сравнения выходного сигнала интегратора И2 с выходным сигналом N_ОУ датчика углового положения объекта управления ДУП ОУ.

Вычисленный сигнал рассогласования ΔN_{α_ОУ} поступает на вход корректирующего устройства КУ, оценивающего сигнал рассогласования ΔN_{α_ОУ} и формирующего, в зависимости от его величины, выходной сигнал N_КУ, с помощью которого осуществляется коррекция задаваемого сигнала угловой скорости объекта управления N_ω.

Подобное построение системы управления электропривода позволяет существенно снизить погрешность отработки малых угловых скоростей объекта управления, вызванной наличием несоосности механической передачи, в случае, когда контур обратной связи замкнут по угловому положению ротора двигателя.

На фиг. 2 представлены графики отработки угловой скорости объекта управления 0,9997 °/с за один полный оборот объекта управления при замыкании контура обратной связи по угловому положению ротора двигателя электроприводом с компенсацией несоосности механической передачи (1) и электроприводом, в котором влияние на угловую скорость данной несоосности не компенсируется (2). Сравнивая приведенные графики, можно сделать выводы о том, что погрешность отработки данной скорости, в предлагаемом электроприводе значительно ниже, чем в электроприводе без компенсации несоосности механической передачи.

Таким образом, предлагаемое устройство с усовершенствованной системой управления электропривода посредством введения компенсации несоосности механической передачи при замыкании контура обратной связи по угловому положению ротора двигателя обладает новизной, практической полезностью и технической реализуемостью и может найти широкое применение в технике, например в исполнительных электроприводах силовых гироскопических комплексов, устройств поворотных солнечных батарей, телескопических и ретрансляционных систем космических аппаратов.

Литература

1. Джукич Д.Й., Положенцев Д.С. Организация систем управления угловой скоростью с помощью индукционных датчиков угла // Молодежь. Техника. Космос: труды VI Общероссийской молодежной науч.-техн. конф./ Балтийский государственный технический университет.- СПб.; 2014. С. 185-186.

2. Садовников М.А. Измерение скорости движения силового электропривода с помощью оптических датчиков угла // Изв. Вузов. Приборостроение 2008. Т. 51, №6. С. 52-57.

3. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением./ P.M. Трахтенберг // М.: Энергоиздат, 1982. - 168 с.

4. Джукич Д.Й., Положенцев Д.С. Унифицированный исполнительный электропривод поворотного устройства солнечной батареи // Электронные и электромеханические системы и устройства: XIX науч.-техн. конф. (Томск, 16-17 апр. 2015 г.)/ АО «НПЦ «Полюс». - Томск, 2015. - 360 с.

Низкоскоростной прецизионный электропривод с компенсацией влияния несоосности механической передачи, содержащий интеграторы угловой скорости, последовательно соединенные регулятор углового положения, широтно-импульсный модулятор, усилитель мощности, двигатель, который через механическую передачу связан с объектом управления, и датчики углового положения, расположенные по осям двигателя и объекта управления, отличающийся тем, что с целью снижения влияния несоосности механической передачи на создаваемую угловую скорость объекта управления, в случае замыкания контура обратной связи по угловому положению ротора двигателя, в состав электропривода введено корректирующее устройство, на вход которого поступает оценивающийся им в дальнейшем сигнал рассогласования угла по оси объекта управления, а выход которого соединен с сумматором, в котором выходной сигнал корректирующего устройства складывается с сигналом задаваемой угловой скорости, тем самым осуществляя его корректировку с учетом параметров несоосности механической передачи, после чего измененный задаваемый сигнал угловой скорости поступает на интегратор угловой скорости ротора двигателя.