Задатчик интенсивности для электропривода

Полезная модель относится к управлению автоматизированными электроприводами и может быть использована в станках с ЧПУ и в робототехнических комплексах.
Известен задатчик интенсивности для быстродействующего электропривода [1], который содержит усилитель с насыщением, дифференцирующее звено, нелинейное звено с зоной нечувствительности, при этом выход усилителя с насыщением подключен к входу дифференцирующего звена, выход которого соединен с входом нелинейного звена с зоной нечувствительности, выход которого подключен к входу усилителя с насыщением.
Недостатком данного устройства является то, что динамические свойства электропривода с задатчиком интенсивности невысоки, даже если сигнал с выхода дифференцирующего звена не превышает величину зоны нечувствительности нелинейного звена, и передаточная функция задатчика интенсивности имеет вид функции без инерционного звена. При этом выходной сигнал задатчика интенсивности не форсирует переходные процессы в электроприводе.
Наиболее близким к заявляемому устройству является задатчик интенсивности для быстродействующего электропривода [2], который содержит усилитель с насыщением, выход которого подключен к входу дифференцирующего звена, соединенного своим выходом с нелинейным звеном типа зоны нечувствительности, выход которого подключен к входу усилителя с насыщением, релейный элемент, второе дифференцирующее звено и ключевой элемент, при этом вход второго дифференцирующего звена подключен к первому входу усилителя с насыщением являющемуся входом задатчика интенсивности, а выход второго дифференцирующего звена подключен к входу ключевого элемента, выход которого соединен со входом усилителя с насыщением, а управляющий вход ключевого элемента через релейный элемент подключен к выходу нелинейного звена с зоной нечувствительности.
Недостатком данного устройства является то, что динамические свойства электропривода с задатчиком интенсивности невысоки, ввиду отсутствия дополнительного форсирующего звена (второго дифференцирующего звена в прямом канале). Объектом управления является двигатель постоянного тока, который является звеном второго порядка, поэтому для существенного улучшения динамических характеристик необходимо вводить вторую производную (второе дифференцирующее звено) от задающего сигнала.
Задачей, на которую направлено предлагаемое решение полезной модели, является улучшение динамических характеристик электропривода, а именно, форсирование переходных процессов в электроприводе.
Задатчик интенсивности для электропривода по заявляемой полезной модели, так же как и прототип, содержит усилитель с насыщением, дифференцирующее звено, нелинейное звено с зоной нечувствительности, релейный элемент, второе дифференцирующее звено и ключевой элемент.
В отличие от прототипа, в устройство дополнительно введены третье дифференцирующее звено, второй ключевой элемент и резистор, причем вход третьего дифференцирующего звена подключен к выходу второго дифференцирующего звена, выход третьего дифференцирующего звена подключен к входу второго ключевого элемента, а выход второго ключевого элемента через резистор подключен к инвертирующему входу усилителя с насыщением, управляющий вход второго ключевого элемента подключен к выходу релейного элемента.
Задатчик интенсивности для электропривода содержит усилитель с насыщением 1, выходом подключенный к входу первого дифференцирующего звена 2, которое подключено выходом к входу нелинейного элемента 3 с зоной нечувствительности, которое выходом соединено со входом релейного элемента 4, второе дифференцирующее звено 5, входом соединенное с входом задатчика (Uз), а выходом - с первым ключевым элементом 6, выход первого ключевого элемента 6 соединен с входом усилителя с насыщением 1, третье дифференцирующее звено 7 входом соединено с выходом второго дифференцирующего звена 5, выход третьего дифференцирующего звена 7 соединен со входом второго ключевого элемента 8, выход которого подключен через резистор 9 к инвертирующему входу усилителя с насыщением 1, управляющий вход ключевого элемента 8 подключен к выходу релейного элемента 4.
Задатчик интенсивности для электропривода работает следующим образом.
Выходной сигнал усилителя 1 с насыщением подается на первое дифференцирующее звено 2, которое предназначено для определения производной выходного сигнала задатчика интенсивности. Сигнал с дифференцирующего звена 2 поступает на нелинейное звено 3, и, в зависимости от величины производной выходного сигнала задатчика интенсивности, на выходе нелинейного звена 3 сигнал есть или нет. Сигнал с выхода нелинейного звена 3 поступает на вход усилителя 1 с насыщением и на вход релейного элемента 4. Релейный элемент 4 управляет ключевыми элементами 6 и 8.
На вход усилителя 1 с насыщением также поступают сигналы пропорциональные первой и второй производной от входного задающего сигнала задатчика интенсивности. Осуществляется это с помощью второго дифференцирующего звена 5 и третьего дифференцирующего звена 7, подключенного к выходу первого дифференцирующего звена 5. Сигнал со второго дифференцирующего звена 5 через ключевой элемент 6 поступает на вход усилителя 1 с насыщением, также поступает сигнал с третьего дифференцирующего звена 7 через ключевой элемент 8 и резистор 9 на вход усилителя 1 с насыщением. При отсутствии сигнала на выходе релейного элемента 4 ключевые элементы 6 и 8 выключены. При наличии сигнала на выходе релейного элемента 4 ключевые элементы 6 и 8 включены.
Если в задатчике интенсивности производная выходного сигнала (сигнал на выходе дифференцирующего звена 2) превышает пороговое значение, а именно, величину зоны нечувствительности нелинейного звена 3, выходной сигнал этого звена поступает на вход усилителя 1 с насыщением и на вход релейного элемента 4, на выходе которого формируется большой по величине сигнал, осуществляющий включение ключевых элементов 6 и 8. При этом сигнал с выхода второго дифференцирующего звена 5 и с третьего дифференцирующего звена 7 не поступает на вход усилителя 1 с насыщением. При этом передаточная функция задатчика интенсивности имеет вид:
где K1 - коэффициент передачи усилителя 1 с насыщением;
T1 - постоянная времени дифференцирующего звена 2;
p - оператор Лапласа.
Передаточная функция задатчика интенсивности для электропривода идентична передаточной функции известного задатчика интенсивности. При этом происходит ограничение скорости изменения выходного сигнала задатчика интенсивности, благодаря чему эффективно уменьшается величина перерегулирования по скорости в электроприводе.
При малых скоростях изменения задающего сигнала задатчика интенсивности, что имеет место при гармоническом входном сигнале малой частоты и амплитуды, величина сигнала, получаемого на входе дифференцирующего звена 2, не превышает зону нечувствительности звена 3. При этом сигнал на выходе нелинейного звена 3 нулевой и на выходе выходного релейного элемента 4 отсутствует, ключевые элементы 6 и 8 выключены. Сигнал с выхода второго дифференцирующего звена 5 через ключевой элемент 6 поступает на вход усилителя 1 с насыщением, и также сигнал с выхода третьего дифференцирующего звена 7 через ключевой элемент 8 и резистор 9 поступает на вход усилителя 1 с насыщением. Передаточная функция задатчика интенсивности в данном режиме имеет вид:
где K1 - коэффициент передачи усилителя 1 с насыщением;
T2 - постоянная времени второго дифференцирующего звена 5;
T3 - постоянная времени третьего дифференцирующего звена 7.
Передаточная функция задатчика имеет вид форсирующего звена второго порядка. На вход регулятора скорости электропривода с выхода задатчика интенсивности подается как сам входной сигнал задатчика интенсивности, так и его первая и вторая производные в виде положительной параллельной связи. Это обеспечивает улучшение динамических свойств электропривода путем форсировки переходных процессов, а также производит расширение полосы пропускания частот электропривода при малых амплитудах входного гармонического сигнала.
Настройка величины зоны нечувствительности нелинейного звена 3 осуществляется так, что на выходе этого звена сигнал появляется лишь при частоте задающего гармонического сигнала, превышающей заданную полосу пропускания в электроприводе. При этом ограничение скорости изменения выходного сигнала задатчика интенсивности осуществляется лишь на частотах, превышающих заданную полосу пропускания быстродействующего электропривода. В электроприводе улучшаются динамические свойства, а именно, уменьшается время переходных процессов в электроприводе и расширяется полоса пропускания частот при малых амплитудах входного гармонического сигнала без увеличения заданной величины перерегулирования скорости в электроприводе.
Применение заявляемого задатчика интенсивности в быстродействующих электроприводах постоянного тока повышает производительность производственных механизмов, в которых устанавливается электропривод. Например, в механизмах подач металлорежущих станков с ЧПУ повышается производительность труда путем улучшения динамических свойств электропривода, а именно уменьшается время переходных процессов, увеличивается величина полосы пропускания частот электропривода, особенно при малых амплитудах входного гармонического сигнала. При этом сокращается время, затрачиваемое на обработку деталей.
Используемые источники
1. Авторское свидетельство № 900389.
2. Авторское свидетельство SU № 1073866 А.