СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
SERVO DRIVE WITH ASYNCHRONOUS ACTUATING MOTOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с асинхронными исполнительными двигателями.
Наиболее близким по технической сущности является следящий электропривод Simovert Masterdrives МС (см. Simovert Masterdrives Motion Control: Compendium. - Germany: Siemens AG, 2006. - 1498 p.), содержащий первый и второй блоки задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, блок деления, первый и второй регуляторы тока, преобразователь координат, блок дифференцирования, блок интегрирования, сумматор, силовой преобразователь, асинхронный электродвигатель с исполнительным механизмом, датчик тока и датчик положения.
Недостаток наиболее близкого по технической сущности следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем заключается в его низком быстродействии.
Технический результат достигается тем, что в следящий электропривод, содержащий первый и второй блоки задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, блок деления, первый и второй регуляторы тока, преобразователь координат, блок дифференцирования, блок интегрирования, сумматор, силовой преобразователь, асинхронный электродвигатель с исполнительным механизмом, датчик тока и датчик положения, причем выход первого блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, второй вход которого соединен с выходом датчика положения, выход второго блока задания соединен с первыми входами первого регулятора тока и блока деления, выход которого соединен с первым входом второго регулятора тока, выход первого регулятора тока соединен с первым входом преобразователя координат, второй вход которого соединен с выходом второго регулятора тока, первый выход преобразователя координат соединен с первым входом силового преобразователя, выход которого соединен с асинхронным электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора и входом блока дифференцирования, второй выход силового преобразователя соединен с первым входом датчика тока, второй вход которого соединен с выходом блока интегрирования и первым входом сумматора, второй выход преобразователя координат соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с вторым входом силового преобразователя, первый и второй выходы датчика тока соединены соответственно со вторыми входами первого и второго регуляторов тока, а выход блока дифференцирования соединен с входом блока интегрирования, дополнительно введен пропорционально-дифференциальный регулятор, причем выход интегрального регулятора соединен со вторым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход блока дифференцирования соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого соединен с вторым входом блока деления.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет повысить быстродействие следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем.
На фиг. 1 приведена функциональная схема следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем; на фиг. 2 - структурная схема следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем; на фиг. 3 - переходный процесс по управляющему воздействию в следящем электроприводе.
Следящий электропривод (фиг. 1) содержит блоки 1 и 2 задания, интегральный регулятор 3, пропорциональный регулятор 4, блок 5 деления, регуляторы 6 и 7 тока, преобразователь 8 координат, блок 9 дифференцирования, блок 10 интегрирования, сумматор 11, силовой преобразователь 12, асинхронный электродвигатель 13 с исполнительным механизмом 14, датчик 15 тока, датчик 16 положения и пропорционально-дифференциальный регулятор 17. Выход блока 1 задания соединен с первым входом интегрального регулятора 3, второй вход которого соединен с выходом датчика 16 положения. Выход блока 2 задания соединен с первыми входами регулятора 6 тока и блока 5 деления, выход которого соединен с первым входом регулятора 7 тока. Выход регулятора 6 тока соединен с первым входом преобразователя 8 координат, второй вход которого соединен с выходом регулятора 7 тока. Первый выход преобразователя 8 координат соединен с первым входом силового преобразователя 12, первый выход которого (трехфазного напряжения) соединен со статорными обмотками асинхронного электродвигателя 13, кинематически связанного с исполнительным механизмом 14, оснащенным датчиком 16 положения, выход которого соединен с первым (инверсным) входом пропорционального регулятора 4 и входом блока 9 дифференцирования. Второй выход (токовый) силового преобразователя 12 соединен с первым входом датчика 15 тока, второй вход которого соединен с выходом блока 10 интегрирования и первым входом сумматора 11. Второй выход преобразователя 8 координат соединен с вторым входом сумматора 11, выход которого соединен с вторым входом силового преобразователя 12. Первый и второй выходы датчика 15 тока соединены соответственно с вторыми входами регуляторов 6 и 7 тока. Выход блока 9 дифференцирования соединен с входом блока 10 интегрирования. Выход интегрального регулятора 3 соединен со вторым входом пропорционального регулятора 4, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора 17. Выход блока 9 дифференцирования соединен со вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора 17, выход которого соединен со вторым входом (входом делимого) блока 5 деления.
В качестве асинхронного электродвигателя 13 может быть использован, например, любой электродвигатель серии 1РН7. Исполнительный механизм 14, например, может представлять собой поворотный стол, соединенный с помощью червячного редуктора и муфты с валом электродвигателя 13. В качестве датчика 16 положения, например, может быть использован резольвер, встроенный в электродвигатель серии 1PH7, или любой фотооптический датчик угла поворота, установленный, например, на поворотном столе.
Все остальные блоки и элементы предлагаемого следящего электропривода, в том числе и силовой преобразователь 12, могут быть реализованы, например, на устройстве Simovert Masterdrives МС. В частности, блок 1 задания может быть выполнен, например, с помощью функции Basic positioner. Блок 2 задания, блок 5 деления, регуляторы 6 и 7 тока, преобразователь 8 координат, блок 10 интегрирования и сумматор 11, могут быть реализованы, например, с помощью функций Current controller asynchronous motor и Torque limitation. Датчик 15 тока, например, может быть выполнен на трансформаторах тока, встроенных в силовой преобразователь 12, и функций Actual values и Current controller asynchronous motor. Блок 9 дифференцирования, например, может быть реализован с помощью функции Set speed values. Интегральный регулятор 3, например, может быть реализован с помощью стандартного пропорционально-интегрального регулятора, входящего в состав функции Position control, в котором коэффициент передачи пропорциональной части приравнен нулю. Пропорциональный регулятор 4 и пропорционально-дифференциальный регулятор 17, например, могут быть реализованы с помощью вычитателей, сумматора, пропорциональных звеньев и дифференциального звена, входящих в состав свободных функциональных блоков (Free blocks) устройства Simovert Masterdrives МС, и BICO-технологии программирования.
1dз
1qз
1d
1q
1d
1q
1
p
1
p
1
Следящий электропривод работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания, и сигнала датчика 16 положения интегральный регулятор 3 в совокупности с пропорциональным регулятором 4, блоком 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальным регулятором 17 формируют сигнал на входе (входе делимого) блока 5 деления. Одновременно с блока 2 задания на вход регулятора 6 тока и второй вход (вход делителя) блока 5 деления поступает сигнал, пропорциональный требуемому значению составляющей тока I статора во вращающейся вместе с ротором системе координат. Результат деления с выхода блока 5 является сигналом задания составляющей тока I, статора, поступающей на вход регулятора 7 тока. Датчик 15 тока формирует на своих выходах действительные значения проекций вектора тока статора I I во вращающейся системе координат, которые получаются посредством измерения фазных токов на втором выходе силового преобразователя 12, трехфазно-двухфазного преобразования и перехода к проекциям через угол поворота ротора, формируемого на выходе блока 10 интегрирования. В свою очередь, на вход блока 10 интегрирования подается сигнал, пропорциональный скорости вращения ротора с выхода блока 9 дифференцирования. Регуляторы 6 и 7 тока сравнивают заданные величины проекций вектора тока во вращающейся системе координат с действительными значениями, поступающими с выходов датчика 15 тока, и в соответствии со своими передаточными функциями (в частности, в Simovert Masterdrives МС применяются пропорциональные регуляторы тока, но можно использовать и традиционные пропорционально-интегральные регуляторы) формируют на своих выходах проекции U и U на вращающиеся оси вектора напряжения, которые надо подать на статорные обмотки асинхронного электродвигателя 13. Преобразование проекций вектора напряжения в реальное трехфазное напряжение на статорных обмотках осуществляется с помощью преобразователя 8 координат, сумматора 11 и собственно силового преобразователя 12, а именно в преобразователе 8 координат производится вычисление модуля вектора напряжения статора  и угла поворота вектора напряжения относительно оси абсцисс вращающейся системы координат . В сумматоре 11 происходит сложение угла φ с углом поворота ротора φ φ=φ+φ. По сигналам U и φ на первом выходе силового преобразователя формируется система трехфазного напряжения:
Полученное трехфазное напряжение с первого выхода силового преобразователя 12 заставляет вращаться вал асинхронного электродвигателя 13, который приводит в движение исполнительный механизм 14. Перемещение исполнительного механизма 14 измеряется датчиком 16 положения. Движение продолжается до тех пор, пока величина сигнала с датчика 16 положения не сравняется с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания.
Интегральный регулятор 3 компенсирует действие всех помех, охваченных датчиком 16. Пропорциональный регулятор 4, блок 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальный регулятор 17 обеспечивают компенсацию основных инерционностей электродвигателя 13 и исполнительного механизма 14.
1d
2
p
дп
Для подтверждения высокого быстродействия предлагаемого следящего электропривода с асинхронным электродвигателем рассмотрим его структурную схему (фиг. 2). Она содержит две взаимосвязанные системы управления: систему стабилизации составляющей тока I (и, следовательно, потока ψ ротора) и систему управления перемещением × исполнительным механизмом (в простейшем случае - углом φ поворота вала двигателя). В систему управления перемещением входят четыре контура: контур тока, контур скорости и два контура положения. Для организации обратной связи по скорости сигнал безинерционного датчика положения с коэффициентом передачи к k дифференцируется звеном с передаточной функцией
осс
осс
W(p)=kp,
осс
где k - коэффициент передачи по скорости (постоянная времени дифференцирования).
1d
Система стабилизации составляющей тока I содержит только один контур - контур тока.
РТ
1
1
0
сп
сп
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>э</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mi>э</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mn>1</mn><mi>э</mi></mrow></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mi>э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>k</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mn>1</mn><mi>э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>k</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>L</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>Δ</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>L</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>Δ</mi><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>L</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>L</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>L</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow>
Контуры тока в обеих системах выполнены идентично и содержат пропорциональные регуляторы тока с коэффициентами передачи k, апериодические звенья
, характеризующие динамические свойства силового преобразователя, и передаточные функции статорной цепи асинхронного электродвигателя
. В этих формулах приняты обозначения:
;
;
;
;
;
; R и L - активное сопротивление и индуктивность цепи статора;
и
- приведенные активное сопротивление и индуктивность цепи ротора; L - взаимная индуктивность обмоток; k и T - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя, соответственно.
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>э</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><msub><mi>Z</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>J</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mi>p</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>и</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>и</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mi>p</mi></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>ψ</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>L</mi><mn>2</mn><mo>/</mo></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
п
пр
им
2
1d
В контур регулирования скорости входят пропорционально-дифференциальный регулятор, делительное звено, замкнутый контур тока, множительное звено, интегральное звено
и передаточная функция исполнительного механизма
. Здесь приняты обозначения: Z - число пар полюсов асинхронного электродвигателя; J - приведенный момент инерции вала двигателя; k - коэффициент передачи исполнительного механизма. Делительное и множительное звенья осуществляют взаимосвязь системы стабилизации тока возбуждения с системой управления перемещением через потокосцепление ψ ротора, причем потокосцепление связано с проекцией тока I посредством передаточной функции
.
Пропорционально-дифференциальный регулятор представлен передаточной функцией
ПД
ПД
ПД
W(p)=k(Tp+1),
ПД
ПД
где k - коэффициент передачи, а T - постоянная времени регулятора.
П
Пропорциональный регулятор внутреннего контура положения имеет коэффициент передачи k. Интегральный регулятор внешнего контура положения представлен передаточной функцией
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>И</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>И</mi></msub><mi>p</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
И
где T - постоянная времени.
дп
им
сп
сп
1э
1э
2
п
пр
ост
осс
ПД
ПД
П
И
пп
2
Промоделируем рассматриваемый следящий электропривод в среде «МАТLАВ SIMULINK» для конкретной технической реализации, когда k=1, k=326 дискрет/рад; k=0,0067 B/дискрету; T=0,0016 с; R=13,53 Ом; T=0,0157 с; T=0,0273 с; Z=1; J=0,001 кг·м; k=6826 дискрет/A; k=0,0128 с; T=0,4 с; k=4; k=4; T=0,02 с. График переходного процесса (фиг. 3) показывает, что время переходного процесса по управлению в предлагаемом следящем электроприводе составляет t=0,0552 с, а перерегулирование - σ=0,16%. Для сравнения надо сказать, что время переходного процесса в устройстве, взятом за прототип, при стандартных настройках регуляторов составляет 2,5 с.
Отсюда следует, что предложенный следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем более чем в 10 раз превосходит по быстродействию устройство, взятое за прототип.
Таким образом, предлагаемый электропривод позволяет повысить быстродействие следящих систем с асинхронными исполнительными двигателями.