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 (SU 900389), 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 нелинейным звеном типа зоны нечувствительности, соединенным с входом 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 задатчика без инерционного звена. При этом выходной сигнал задатчика интенсивности не форсирует переходные процессы в электроприводе.
Известен задатчик интенсивности для быстродействующего электропривода (SU 1073866), 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, а выход - ко входу ключевого элемента, выход которого соединен со входом усилителя с насыщением, а управляющий вход через релейный элемент подключен к выходу нелинейного звена с зоной нечувствительности.
Недостатком данного устройства является дискретное подключение дифференцирующих звеньев к усилителю с насыщением (операционному усилителю), что приводит к увеличению неравномерности амплитудно-частотной характеристики, увеличению показателя колебательности в электроприводе.
Наиболее близким к заявляемому устройству является задатчик интенсивности для быстродействующего электропривода (SU 16035173), содержащий усилитель с насыщением, дифференцирующее звено, выпрямитель, элемент смещения и усилитель с переменным коэффициентом усиления, выполненный на операционном усилителе, двух резисторах и полевом транзисторе.
Недостатком данного устройства являются невысокие динамические свойства электропривода с задатчиком интенсивности, ввиду отсутствия форсирующего звена в прямом канале. При этом выходной сигнал задатчика интенсивности не форсирует переходные процессы в электроприводе.
Задачей, на которую направлено предлагаемое решение полезной модели, является улучшение динамических характеристик электропривода (форсирование переходных процессов) при обеспечении хорошей равномерности амплитудно-частотной (логарифмической) характеристики (ЛАЧХ).
Задатчик интенсивности для электропривода по заявляемой полезной модели, так же как и прототип, содержит последовательно соединенные усилитель с насыщением, дифференцирующее звено, выпрямитель, элемент смещения и усилитель с переменным коэффициентом усиления, выполненный на операционном усилителе, первом и втором резисторах и первом полевом транзисторе, а также источник входного задающего сигнала.
В отличие от прототипа, в устройство дополнительно введены второе дифференцирующее звено, второй усилитель с переменным коэффициентом усиления и третий резистор, причем второе дифференцирующее звено входом подключено к источнику входного задающего сигнала, а выходом - ко второму усилителю с переменным коэффициентом усиления, выход которого подключен через третий резистор к инвертирующему входу усилителя с насыщением. Второй усилитель с переменным коэффициентом усиления содержит второй операционный усилитель, входной резистор, четвертый резистор в цепи обратной связи второго операционного усилителя и второй полевой транзистор, причем один из выводов входного резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, другой вывод входного резистора является входом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления, четвертый резистор зашунтирован сток-истоком второго полевого транзистора, затвор которого образует управляющий вход второго усилителя с переменным коэффициентом усиления, а выход второго операционного усилителя является выходом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления.
Сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором показана схема задатчика интенсивности для электропривода.
вхз
вхз
Задатчик интенсивности для электропривода содержит последовательно соединенные усилитель 1 с насыщением, дифференцирующее звено 2, выпрямитель 3, элемент смещения 4, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления 5, выполненный на операционном усилителе 6, первом и втором резисторах 7 и 8, и полевом транзисторе 9, второе дифференцирующее звено 10, второй усилитель 11 с переменным коэффициентом усиления, третий резистор 12, причем второе дифференцирующее звено 10 входом подключено к источнику входного задающего сигнала (U), а выходом - ко второму усилителю 11 с переменным коэффициентом усиления, выход которого подключен через третий резистор 12 к инвертирующему входу первого усилителя 1 с насыщением. Второй усилитель 11 с переменным коэффициентом усиления выполнен на втором операционном усилителе 13, входном резисторе 14, четвертом резисторе 15 в цепи обратной связи второго операционного усилителя 13, и втором полевом транзисторе 16. Один из выводов входного резистора 14 подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя 13, другой вывод входного резистора 14 является входом второго усилителя 11 с переменным коэффициентом усиления, четвертый резистор 15 зашунтирован сток-истоком полевого транзистора 16, а затвор полевого транзистора 16 образует управляющий вход второго усилителя 11 с переменным коэффициентом усиления, выход второго операционного усилителя 13 является выходом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 11. Усилитель 1 с насыщением состоит из операционного усилителя 17, в цепь обратной отрицательной связи которого включен резистор 18, параллельно которому подключен двухсторонний стабилитрон 19, к инвертирующему входу операционного усилителя 17 подключены следующие резисторы: 12, 20, 21, причем резистор 20 подключен к источнику входного задающего сигнала (U), резистор 21 подключен к выходу первого усилителя 5 с переменным коэффициентом усиления, а резистор 12 подключен к выходу второго усилителя 11 с переменным коэффициентом усиления.
Задатчик интенсивности для электропривода работает следующим образом:
Выходной сигнал усилителя 1 с насыщением подается на дифференцирующее звено 2, которое предназначено для определения производной выходного сигнала задатчика интенсивности (или скорости изменения выходного сигнала задатчика интенсивности). Сигнал с дифференцирующего звена 2 поступает на выпрямитель 3, на который также поступает сигнал с элемента смещения 4. Выпрямитель 3 предназначен для управления первым и вторым усилителями с переменным коэффициентом усиления 5 и 11, соответственно. Сигнал с дифференцирующего звена 2 также поступает на вход первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 5.
В первом усилителе с переменным коэффициентом усиления 5 происходит регулирование коэффициента передачи путем управления затвором полевого транзистора 9, сток-исток которого подключен параллельно второму резистору 8. В результате изменяется эквивалентное входное сопротивление операционного усилителя 6. При этом коэффициент передачи усилителя переменным коэффициентом усиления 5 определяется по формуле:
7
где: R - сопротивление резистора 7;
8
R - сопротивление резистора 8;
си 9
R - сопротивление канала сток-исток полевого транзистора 9.
Сопротивление канала сток-исток полевого транзистора 9 зависит от сигнала, поступающего с выхода выпрямителя 3. Этот сигнал определяется сигналом с выхода дифференцирующего звена 2 и сигналом с элемента смещения 4.
Элемент смещения 4 необходим для начальной установки смещения на затворах полевых транзисторов 9 и 16, то есть, установки начального эквивалентного входного сопротивления операционного усилителя 6, что определяет начальный коэффициент передачи усилителя переменным коэффициентом усиления 5 при отсутствии сигнала на выходе дифференцирующего звена 2, а также для установки начального эквивалентного сопротивления в цепи обратной связи второго усилителя 13, что определяет начальный коэффициент передачи усилителя переменным коэффициентом усиления 11 при отсутствии сигнала на выходе дифференцирующего звена 2.
При отсутствии сигнала на выходе дифференцирующего звена 2 плюсовое напряжение от элемента смещения 4 подается на дополнительный вход выпрямителя 3, при этом на выходе этого выпрямителя также имеется плюсовое напряжение, и сигнал поступает на затворы полевых транзисторов 9, 16. Полевой транзистор 9 полностью закрыт, и входное сопротивление операционного усилителя 6 определяется величиной второго сопротивления 8, коэффициент передачи усилителя с переменным коэффициентом усиления 5 определяется отношением величины первого сопротивления 7 к величине второго сопротивления 8. При этом усилитель 5 имеет минимальный коэффициент передачи. Если производная большая по величине (максимальное значение) (это сигнал на выходе дифференцирующего звена 2), то на выходе выпрямителя 3 имеется сигнал отрицательный по величине, и полевой транзистор 9 открыт (сопротивление канала сток-исток полевого транзистора 9 минимально), при этом усилитель 5 имеет максимальный коэффициент передачи.
вхз
Входной задающий сигнал задатчика интенсивности (U) подается на второе дифференцирующее звено 10, которое предназначено для определения производной входного задающего сигнала задатчика интенсивности. Сигнал с второго дифференцирующего звена 10 поступает на вход второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 11, в котором происходит управление коэффициентом усиления в функции сигнала поступающего с выпрямителя 3. Это происходит путем управления затвором полевого транзистора 16, сток-исток которого подключены параллельно четвертому резистору 15, включенному в цепь обратной связи второго операционного усилителя 13. В результате этого изменяется эквивалентное сопротивление обратной связи второго операционного усилителя 13. При этом коэффициент передачи второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 11 определяется по формуле:
14
где: R - сопротивление входного резистора 14;
15
R - сопротивление четвертого резистора 15;
си 16
R - сопротивление канала сток- исток второго полевого транзистора 16.
Сопротивление канала сток-исток второго полевого транзистора 16 зависит от сигнала, поступающего с выхода выпрямителя 3. Элемент смещения 4 необходим для начальной установки смещения на затворе второго полевого транзистора 16, то есть, установки начального эквивалентного сопротивления обратной связи второго операционного усилителя 13, что определяет в целом начальный коэффициент передачи второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 11 при отсутствии сигнала на выходе дифференцирующего звена 2. При отсутствии сигнала на выходе дифференцирующего звена 2 плюсовое напряжение от элемента смещения 4 подается на дополнительный вход выпрямителя 3, при этом на выходе выпрямителя так же имеется плюсовое напряжение, сигнал поступает на затвор второго полевого транзистора 16. Полевой транзистор 16 полностью закрыт, и сопротивление обратной связи второго операционного усилителя 13 определяется величиной сопротивления четвертого 15, коэффициент передачи второго усилителя 13 определяется отношением величины четвертого сопротивления 15 к величине входного сопротивления 14. При этом операционный усилитель 13 имеет максимальный коэффициент передачи и в целом коэффициент передачи второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 11 имеет максимальное значение.
Если производная большая по величине (максимальное значение) (сигнал на выходе дифференцирующего звена 2), то на выходе выпрямителя 3 имеется сигнал отрицательный по величине, первый полевой транзистор 9 открыт (сопротивление канала сток-исток полевого транзистора 9 минимально) и второй полевой транзистор 16 открыт (сопротивление канала сток-исток полевого транзистора 16 минимально). При этом первый операционный усилитель 6 имеет максимальный коэффициент передачи и, соответственно, максимальное значение имеет коэффициент передачи первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 5, а второй операционный усилитель 13 имеет минимальный коэффициент передачи и, соответственно, минимальное значение имеет коэффициент передачи второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 11.
вхз
На вход усилителя 1 с насыщением поступают следующие сигналы: входной задающий сигнал (U), через резистор 20; сигнал по производной от входного задающего сигнала, регулируемый по величине, как параллельная положительная связь через резистор 12; сигнал по производной выходного сигнала задатчика интенсивности, регулируемый по величине как отрицательная обратная связь через резистор 21.
В целом передаточная функция задатчика интенсивности определяется по формуле:
1
где: K - коэффициент передачи усилителя 1;
2
T - постоянная времени дифференцирующего звена 2;
5
K - коэффициент передачи первого усилителя с переменным коэффициентом усиления 5;
10
T - постоянная времени второго дифференцирующего звена 10;
11
К - коэффициент передачи второго усилителя с переменным коэффициентом усиления 11.
Если коэффициент передачи усилителя 1 равен единице, то передаточная функция задатчика интенсивности имеет вид:
Передаточная функция задатчика интенсивности (4) имеет вид интегро-дифференцирующего звена, в которой постоянные времени меняются непрерывно в функции производной выходного сигнала задатчика интенсивности.
2
11
1
3
При этом при больших скоростях изменения выходного сигнала задатчика интенсивности постоянная времени по производной входного сигнала (T·x K) уменьшается, а по производной по выходному сигналу задатчика интенсивности (T·x K) увеличивается и приводит к снижению скорости изменения выходного сигнала задатчика интенсивности. При этом передаточная функция по характеру приближается к апериодическому звену, благодаря чему эффективно уменьшается величина перерегулирования по скорости вращения в электроприводе и показатель колебательности в электроприводе.
2
11
1
3
При малых скоростях изменения выходного сигнал, что имеет место при гармоническом входном задающем сигнале малой частоты и амплитуды, постоянная времени по производной входного сигнала (T·x K) увеличивается, а по производной по выходному сигналу задатчика интенсивности (T·x K) уменьшается и приводит к увеличению скорости изменения выходного сигнала задатчика интенсивности. При этом передаточная функция по характеру приближается к форсирующему звену, благодаря чему форсируются переходные процессы в электроприводе, и увеличивается полоса пропускания частот при малых амплитудах входного задающего гармонического сигнала.
В целом, все вышеуказанное, приводит к уменьшению неравномерности в амплитудно-частотной (логарифмической) характеристике (ЛАЧХ) по сравнению с аналогами и прототипом, и ведет к уменьшению всплесков ЛАЧХ, что приводит к уменьшению показателя колебательности в электроприводе. А это, в свою очередь, уменьшает величину перерегулирования по скорости вращения, число колебаний по скорости вращения и приводит к форсированию переходных процессов в электроприводе, а также приводит к увеличению полосы пропускания частот в электроприводе.
Применение заявляемого задатчика интенсивности в электроприводах станков с ЧПУ и в робототехнических комплексах повышает производительность производственных механизмов, за счет увеличения быстродействия и увеличения полосы пропускания частот электропривода, особенно при малых амплитудах входного задающего гармонического сигнала.