ЭЛЕКТРОПРИВОД С ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К ОТРАБОТКЕ МАЛЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ
ELECTRIC DRIVE WITH INCREASED SENSITIVITY TO DEVELOPMENT OF SMALL ANGULAR ROTATION SPEEDS

Область техники
Изобретение относится к области автоматики и систем автоматического управления и регулирования. В частности, к электроприводам, предназначенным для прецизионной отработки низких угловых скоростей вращения.
Уровень техники
На сегодняшний день существует несколько типов электроприводов, предназначенных для отработки угловых скоростей вращения.
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 скорости вращения исполнительной оси 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 высокие требования.
Известен электропривод, в котором используется способ замыкания контура регулирования, основанный на сравнении проинтегрированной заданной угловой скорости вращения и текущего значения углового положения объекта управления [1, 3]. Преимуществом данного электропривода является возможность отработки угловой скорости вращения 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 вращения, 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 вращения, приведенной к ротору двигателя, и текущего значения углового положения ротора двигателя можно получить повышение чувствительности отработки задаваемой угловой скорости вращения, что является явным преимуществом такого электропривода.
Недостатком такого электропривода является не охватывание 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 редукторной передачи и несоосностью осей двигателя и объекта управления.
Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности отработки задаваемой угловой скорости вращения без увеличения разрядности датчика углового положения и отработка погрешностей, вносимых элементами конструкции электропривода в создаваемую угловую скорость вращения объекта управления.
Сущность изобретения
ω
ϕ
α
ШИМ
i
i
Д
ОУ
ОУ
Д
В предлагаемом устройстве размещаются два датчика углового положения - по осям вращения объекта управления и двигателя. Структурная схема предлагаемого электропривода представлена на фиг. 1, где И1 и И2 - интеграторы угловой скорости; АС - анализатор скорости; РУ - регулирующее устройство; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; КУМ - ключевой усилитель мощности; Д - двигатель; РП - редукторная передача; ОУ - объект управления; ДУП ОУ - датчик углового положения объекта управления; ДУП Д - датчик углового положения ротора двигателя; N - задаваемый код скорости;  - расчетный код углового положения объекта управления;  - расчетный код углового положения двигателя; ΔN - сигнал рассогласования контура углового положения объекта управления; ΔN - сигнал рассогласования контура углового положения двигателя; N - входное значение кода ШИМ; T - сигналы, управляющие работой ключевого усилителя мощности; U - напряжения, подаваемые на фазы двигателя; α - значение углового положения двигателя; α - значение углового положения объекта управления; N - значение измеренного углового положения объекта управления; N - значение измеренного углового положения двигателя.
ω
Анализатор скорости (АС) принимает и сравнивает задаваемые угловые скорости вращения объекта управления (N) и фиксирует момент перехода границы между низкой и высокой задаваемыми скоростями. При этом меняются коэффициенты и/или структура регулятора угла (РУ) и производится расчет текущих значений интегратора скорости того контура регулирования, на котором в дальнейшем будет работать электропривод. Новое значение выходного сигнала интегратора рассчитывается таким образом, чтобы сохранить текущее значение сигнала рассогласования по отношению к контуру регулирования замкнутому по сигналу датчика углового положения расположенному по оси объекта управления. При переходе с высокой скорости на низкую новое значение выходного сигнала интегратора И1 рассчитывается по формуле:
i1
где, N - значение, записываемое в интегратор скорости контура углового положения двигателя;
i - передаточное число редукторной передачи.
При переходе с низкой скорости на высокую значения выходного сигнала интегратора И2 определяются по формуле:
i2
где, N - значение, записываемое в интегратор скорости контура углового положения объекта управления;
i - передаточное число редукторной передачи.
Сигнал датчика углового положения, расположенного по оси двигателя, замыкает контур регулирования электропривода только в режиме малых скоростей, когда влияние нежесткости конструкции, люфта редуктора и несоосности осей минимально или отсутствует. В режиме высоких скоростей контур регулирования замыкается по сигналу датчика углового положения, расположенного на оси объекта управления.
ϕ
α
ШИМ
i
i
ϕ
α
На вход регулятора угла (РУ) поступают сигналы рассогласования ΔN и ΔN. РУ корректирует сигнал рассогласования того контура регулирования на котором работает электропривод. Тип и структура регулятора определяются в зависимости от назначения электропривода и предъявляемых к нему технических требований. Выходной сигнал РУ (Н) поступает на блок широтно-импульсный модулятор (ШИМ), выход которого (T) связан с ключевым усилителем мощности (КУМ). В свою очередь выходной сигнал КУМ (U) поступает на двигатель (Д), связанный через редукторную передачу (РП) с объектом управления (ОУ). Датчик углового положения ротора двигателя (ДУП Д) и датчик углового положения объекта управления (ДУП ОУ) жестко укреплены на осях Д и ОУ, соответственно. Выходные сигналы интеграторов И1  и И2  сравниваются с выходными сигналами ДУП ОУ и ДУП Д, соответственно, образуя сигналы рассогласования ΔN и ΔN.
Подобное построение системы управления угловой скоростью вращения позволяет повысить чувствительность в режиме малых задаваемых скоростей вращения и в то же время отрабатывать погрешности, связанные с несоосностью осей объекта управления и двигателя, нежесткостью конструкции электропривода и люфтом редукторной передачи.
На фиг. 2 представлены диаграммы углового положения объекта управления при отработке электроприводом задаваемой угловой скорости вращения объекта управления 0,0042 °/c при замыкании контура регулирования по сигналам датчиков углового положения, расположенных по осям объекта управления (диаграмма 2-а) и двигателя (диаграмма 2-б). Из сравнения диаграмм 2-а и 2-б следует, что чувствительность отработки заданной угловой скорости вращения значительно выше при замыкании контура регулирования по сигналу датчика углового положения, расположенному по оси двигателя. При этом один такт работы электропривода составляет 320 мкс.
На фиг. 3 представлена диаграмма значений угловых скоростей объекта управления при отработке электроприводом задаваемой угловой скорости вращения объекта управления 17,2 °/с при замыкании контура регулирования по сигналам датчиков углового положения, расположенных по осям объекта управления (диаграмма 3-а) и двигателя (диаграмма 3-б). По оси абсцисс отмечены значения тактов съема информации, при этом один такт соответствует времени 1,6 мс. Из сравнения угловых скоростей объекта управления 3-а и 3-б следует, что при замыкании контура регулирования по сигналу датчика углового положения, расположенному по оси двигателя, наблюдаются колебания угловой скорости вращения объекта управления, которые отсутствуют при замыкании контура регулирования по сигналу датчика углового положения, расположенному по оси объекта управления.
Таким образом, предлагаемое устройство с повышенной чувствительностью к отработке малых угловых скоростей вращения обладает новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение в технике, например, в исполнительных электроприводах двухстепенных силовых гироскопических приборов (гиродинов), устройств поворотных солнечных батарей или телескопических систем.
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 с.
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.И., 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.