СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
SERVO DRIVE WITH ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с асинхронными исполнительными двигателями.
Наиболее близким по технической сущности является регулируемый электропривод переменного тока (см. патент РФ №2226739, опубл. в БИ №10, 2004), содержащий блок задания параметров, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, блок дифференцирования, блок умножения, первый и второй сумматоры, автономный инвертор напряжения, асинхронный электродвигатель, блок выделения модуля, блок деления, коммутатор, блок сравнения и датчик скорости.
Недостаток наиболее близкого по технической сущности электропривода с асинхронным электродвигателем заключается в том, что он не может работать в режимах позиционирования и слежения за заданной координатой перемещения исполнительного механизма.
Сущность изобретения состоит в том, что следящий электропривод с асинхронным электродвигателем, содержащий блок задания параметров, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, блок дифференцирования, блок умножения, первый и второй сумматор, автономный инвертор напряжения, асинхронный электродвигатель с исполнительным механизмом, датчик положения, блок выделения модуля, блок деления, коммутатор и блок сравнения, причем первый выход блока задания параметров соединен с первым входом интегрального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход пропорционального регулятора соединен с входом блока дифференцирования и первым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом автономного инвертора напряжения, выход блока дифференцирования соединен с первым входом блока умножения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход блока выделения модуля соединен с первыми входами блока сравнения и второго сумматора, выход которого соединен с первым входом блока деления, второй выход блока задания параметров соединен с вторым входом второго сумматора, третий выход блока задания параметров соединен с вторым входом блока деления, выход которого соединен с первым входом коммутатора, четвертый выход блока задания параметров соединен с вторым входом коммутатора, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, пятый выход блока задания параметров соединен с вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с третьим входом коммутатора, выход автономного инвертора напряжения соединен с асинхронным электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с вторыми входами интегрального и пропорционального регуляторов, дополнительно снабжен вторым блоком дифференцирования, причем выход датчика положения соединен с входом блока дифференцирования, выход которого соединен с входом блока выделения модуля.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет обеспечить работу электропривода с асинхронным исполнительным двигателем в режимах позиционирования и слежения за заданной координатой перемещения исполнительного механизма.
На чертеже приведена функциональная схема следящего электропривода с асинхронным электродвигателем.
Следящий электропривод с асинхронным электродвигателем (чертеж) содержит блок 1 задания параметров, интегральный регулятор 2, пропорциональный регулятор 3, блоки 4 и 5 дифференцирования, блок 6 умножения, сумматоры 7 и 8, автономный инвертор 9 напряжения, асинхронный электродвигатель 10 с исполнительным механизмом 11, блок 12 выделения модуля, блок 13 деления, коммутатор 14, блок 15 сравнения и датчик 16 положения.
Первый выход блока 1 задания параметров соединен с первым входом интегрального регулятора 2, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора 3. Выход пропорционального регулятора соединен с входом блока 4 дифференцирования и первым входом сумматора 7, выход которого соединен с входом автономного инвертора 9 напряжения. Выход блока 4 дифференцирования соединен с первым входом блока 6 умножения, выход которого соединен с вторым входом сумматора 7. Выход блока 12 выделения модуля соединен с первыми входами блока 15 сравнения и сумматора 8, выход которого соединен с первым входом блока 13 деления. Второй выход блока 1 задания параметров соединен с вторым входом сумматора 8. Третий выход блока 1 задания параметров соединен с вторым входом блока 13 деления, выход которого соединен с первым входом коммутатора 14. Четвертый выход блока 1 задания параметров соединен с вторым входом коммутатора 14, выход которого соединен с вторым входом блока 6 умножения. Пятый выход блока 1 задания параметров соединен с вторым входом блока 15 сравнения, выход которого соединен с третьим входом коммутатора 14. Выход автономного инвертора напряжения соединен с асинхронным электродвигателем 10, кинематически связанным с исполнительным механизмом 11, оснащенным датчиком 16 положения. Выход датчика 16 положения соединен с вторыми входами интегрального 2 и пропорционального 3 регуляторов и входом блока 5 дифференцирования, выход которого соединен с входом блока 12 выделения модуля.
Блок 1 задания параметров может быть выполнен, например, на микросхемах К555ТМ8, разрядные входы которых подключаются с помощью переключателей к логическим нулям или единицам. Интегральный 2 и пропорциональный 3 регуляторы и блоки 4 и 5 дифференцирования могут быть реализованы, например, по а.с. СССР №1649501, опубл. 15.05.91, БИ №18 и выполнены, например, на микросхемах серии К555. Блок 6 умножения и блок 13 деления, например, реализованы на микропроцессоре К1801ВМ2, имеющем встроенные функции умножения и деления. Сумматоры 7 и 8, например, выполнены на микросхемах К555ИМ6. Автономный инвертор 9 напряжения, например, реализован в виде цифрового модулятора по патенту РФ №2111608, опубл. 20.05.98, БИ №14, с силовым трехфазным транзисторным мостом на выходе. В качестве асинхронного электродвигателя 9 может быть использован любой выпускаемый промышленностью электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Исполнительный механизм 11, например, может представлять собой стол координатно-расточного станка, соединенный с помощью ходового винта и муфты с валом асинхронного электродвигателя. Блок 12 выделения модуля может быть реализован в виде композиции коммутатора, управляемого знаком входного сигнала, на один информационный вход которого входной сигнал подается непосредственно, а на другой - через инверторы. Коммутатор 14, например, может быть реализован на микросхемах К555КП13. Блок 15 сравнения, например, выполнен на сумматорах К555ИМ6. В качестве датчика 16 положения, например, может быть использована фотооптическая линейка BE 162 с соответствующим устройством оцифровки ее выходного сигнала.
Следует также отметить, что блок 1 задания параметров, интегральный регулятор 2, пропорциональный регулятор 3, блоки 4 и 5 дифференцирования, блок 6 умножения, сумматоры 7 и 8, блок 12 выделения модуля, блок 13 деления, коммутатор 14 и блок 15 сравнения могут быть также выполнены программно на микропроцессорном контроллере.
Следящий электропривод с асинхронным электродвигателем работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего с первого выхода блока 1 задания параметров, и сигнала датчика 16 положения интегральный регулятор 2 в совокупности с пропорциональным регулятором 3, блоками 4 и 5 дифференцирования, блоком 6 умножения, сумматорами 7 и 8, блоком 12 выделения модуля, блоком 13 деления, коммутатором 14 и блоком 15 сравнения формируют сигнал на входе автономного инвертора 9 напряжения. Автономный инвертор 8 напряжения преобразует этот сигнал в частоту и амплитуду напряжения на статоре асинхронного электродвигателя 10. При этом вал асинхронного электродвигателя начинает вращаться и приводит в движение исполнительный механизм 11, перемещение которого измеряется датчиком 16 положения. Движение продолжается до тех пор, пока величина сигнала с датчика 16 положения не сравняется с величиной задающего сигнала, поступающего с первого выхода блока 1 задания параметров. Интегральный регулятор 2 компенсирует действие всех помех, охваченных датчиком 16. Пропорциональный регулятор 3, блоки 4 и 5 дифференцирования, блок 6 умножения, сумматоры 7 и 8, блок 12 выделения модуля, блок 13 деления, коммутатор 14 и блок 15 сравнения представляют собой регулятор внутреннего контура и обеспечивают компенсацию основных инерционностей асинхронного электродвигателя 10.
0
В общем случае динамические свойства асинхронного электродвигателя описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений (см. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1990. С.194). Но в первом приближении при линеаризации этих уравнений можно получить передаточную функцию асинхронного электродвигателя по отношению, например, к управляющему воздействию - скорости вращения магнитного поля ω (см. Стариков А.В. Линеаризованная математическая модель асинхронного электродвигателя как объекта системы частотного управления // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Физико-математические науки. Выпуск 16, 2002. С.175-180)
где приняты следующие обозначения: ω(р) - изображение скорости вращения вала асинхронного электродвигателя;
- коэффициент передачи двигателя по управляющему воздействию;
1
1
0
1X0
1Y0
2X0
2Y0
,  - электромагнитные постоянные времени цепей статора и ротора; L и R - индуктивность и активное сопротивление цепи статора;  и  - приведенные индуктивность и активное сопротивление цепи ротора; ; L - взаимная индуктивность; ψ, ψ, ψ и ψ - значения в определенной рабочей точке проекций векторов потокосцеплений статора и ротора в ортогональной системе координат x-y, вращающейся со скоростью магнитного поля;
П
- условное обозначение постоянной времени второго порядка, зависящей от J - приведенного момента инерции ротора; m - числа фаз электродвигателя; Z - числа пар полюсов и значений проекций потокосцеплений в выбранной рабочей точке.
0
С изменением частоты вращения магнитного поля ω и скорости вращения ω вала асинхронного электродвигателя параметры рабочей точки, а именно проекции векторов потокосцеплений и, следовательно, параметры передаточной функции (1) будут меняться. Тем не менее расчеты показывают, что при любых скоростях ω передаточную функцию (1) можно представить в виде
Ф
А
К
где Т - постоянная времени форсирующей составляющей; Т - постоянная времени апериодической составляющей; Т - постоянная времени колебательной составляющей; ξ - коэффициент демпфирования.
Выбирая постоянную времени регулятора внутреннего контура по следующему закону
можно достичь устойчивой работы следящего электропривода с асинхронным электродвигателем.
ПД
n
n
Расчеты показывают, что постоянная времени Т регулятора по выражению (3) должна меняться в зависимости от скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Причем при изменении скорости асинхронного электродвигателя вниз от номинальной до некоторой скорости ω сумма  практически не меняется. При скоростях ниже ω изменение суммы  происходит по закону, близкому к обратно пропорциональному.
n
n
ПД0
n
n
Перестройку регулятора осуществляют блок 5 дифференцирования, блок 6 умножения, сумматор 8, блок 12 выделения модуля, блок 13 деления, коммутатор 14 и блок 15 сравнения. Перестройка производится в пределах от нулевой скорости до значения скорости ω, задаваемого с пятого выхода блока 1 задания параметров. При скоростях вращения больше ω на вход блока 6 умножения с четвертого выхода блока 1 задания параметров через коммутатор 14 подается некоторое базовое заранее заданное значение постоянной времени Т регулятора внутреннего контура. Определение ситуаций, когда скорость асинхронного электродвигателя превышает по абсолютной величине значение ω, и управление коммутатором 14 осуществляет блок 15 сравнения, на входы которого поступают сигналы с блока 12 выделения модуля и с пятого выхода блока 1 задания параметров. При скоростях ниже ω на вход блока 6 умножения подается значение постоянной времени
ПД0
0
ПД
ПД
регулятора внутреннего контура. Здесь величина приращения Δω скорости задается с второго выхода, а произведение Тω - с третьего выхода блока 1 задания параметров. С помощью блока 5 дифференцирования, блока 12 выделения модуля, сумматора 8 и блока 13 деления производится вычисление текущего значения постоянной времени Т регулятора внутреннего контура. Величина Δω вводится в рассмотрение с целью ограничения на определенном уровне максимального значения постоянной времени Т. В результате динамику следящего электропривода с асинхронным электродвигателем во всех режимах работы можно приближенно описать передаточной функцией с переменными параметрами
З
ДП
И
ПД
СП
ДУ
ИМ
ДП
ПД
СП
ИМ
где x(p) - изображение выходной координаты следящего электропривода; x(p) - изображение задающего сигнала; k - коэффициент передачи датчика положения; Т - постоянная времени интегрального регулятора; k=kkkkk - коэффициент передачи внутреннего контура следящего электропривода; k - коэффициент передачи пропорционального регулятора; k - коэффициент передачи силового преобразователя (автономного инвертора напряжения); k - коэффициент передачи исполнительного механизма.
И
ПД
Подбор соответствующих значений постоянной времени Т интегрального регулятора и коэффициента k передачи пропорционального регулятора позволяет настроить следящий электропривод с асинхронным электродвигателем на работу с высокой точностью и быстродействием.
Таким образом, предлагаемый электропривод с асинхронным электродвигателем позволяет обеспечить режимы позиционирования и слежения за заданной координатой перемещения исполнительного механизма с высоким быстродействием и точностью, определяемой дискретностью и точностью датчика положения.