СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
SERVO DRIVE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с исполнительными двигателями постоянного тока или с синхронными машинами, работающими в режимах вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока.
Наиболее близким по технической сущности является структурно-минимальный электропривод (см. Галицков С.Я., Галицков К.С. Многоконтурные системы управления с одной измеряемой координатой. - Самара: СГАСУ, 2004. - С.15-35), содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель и датчик положения.
Недостаток наиболее близкого по технической сущности следящего электропривода заключается в том, что он обладает низким быстродействием.
Сущность изобретения состоит в том, что следящий электропривод, содержащий блок задания, интегральный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель с исполнительным механизмом и датчик положения, причем выход блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, выход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с входом силового преобразователя, выход которого соединен с электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с вторым входом интегрального регулятора, дополнительно снабжен пропорциональным регулятором и блоком дифференцирования, причем выход интегрального регулятора соединен с первым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход датчика положения соединен с вторым входом пропорционального регулятора и входом блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет повысить быстродействие следящего электропривода.
На фиг.1 приведена функциональная следящего электропривода; на фиг.2 - структурная схема следящего электропривода, на фиг.3 - расчетная модель следящего электропривода; на фиг.4 - переходный процесс по управляющему воздействию; на фиг.5 - переходный процесс по возмущающему воздействию; на фиг.6 - частотные характеристики электропривода.
Следящий электропривод (фиг.1) содержит блок 1 задания, интегральный регулятор 2, пропорционально-дифференциальный регулятор 3, силовой преобразователь 4, электродвигатель 5 с исполнительным механизмом 6, датчик 7 положения, пропорциональный регулятор 8 и блок 9 дифференцирования.
Выход блока 1 задания соединен с первым (прямым) входом интегрального регулятора 2. Выход пропорционально-дифференциального регулятора 3 соединен с входом силового преобразователя 4, выход которого соединен с электродвигателем 5, кинематически связанным с исполнительным механизмом 6. Исполнительным механизм 6 оснащен датчиком 7 положения, выход которого соединен с вторым (инверсным) входом интегрального регулятора 2. Выход интегрального регулятора 2 соединен с первым (прямым) входом пропорционального регулятора 8, выход которого соединен с первым (прямым) входом пропорционально-дифференциального регулятора 3, выход датчика 7 положения соединен с вторым (инверсным) входом пропорционального регулятора 8 и входом блока 9 дифференцирования, выход которого соединен с вторым (инверсным) входом пропорционально-дифференциального регулятора 3.
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, пропорционально-дифференциальный 3 и пропорциональный 8 регуляторы и блок 9 дифференцирования могут быть реализованы, например, по а.с. СССР №1649501, опубл. 15.05.91, Бюл. №18 и выполнены, например, на микросхемах серии К555. Силовой преобразователь 4 для электродвигателя постоянного тока, например, реализован в виде цифрового широтно-импульсного модулятора по а.с. СССР №1748241, опубл. 15.07.92, Бюл. №26, с силовым транзисторным мостом на выходе. Для синхронной машины, работающей в режиме вентильного двигателя силовой преобразователь 4 может быть выполнен, например, в виде цифрового модулятора по а.с. СССР №1798907, опубл. 28.02.93, Бюл. №8, с силовым трехфазным транзисторным мостом на выходе. В качестве электродвигателя 5 может быть использован, например, любой электродвигатель постоянного тока или синхронная машина с датчиком положения ротора, например, 4CX2П100L8. Исполнительный механизм 6, например, может представлять собой стол координатно-расточного станка, соединенный с помощью ходового винта и муфты с валом электродвигателя 5. В качестве датчика 7 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 2, пропорционально-дифференциальный 3 и пропорциональный 8 регуляторы и блок 9 дифференцирования могут быть реализованы также программно на микропроцессорном контроллере.
Следящий электропривод работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего выхода блока 1 задания, и сигнала датчика 7 положения интегральный регулятор 2 в совокупности с пропорциональным регулятором 8, блоком 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальным регулятором формируют сигнал на входе силового преобразователя 4. Силовой преобразователь 4 преобразует этот сигнал в напряжение на якоре электродвигателя 5 постоянного тока (статоре синхронной машины). При этом вал электродвигателя начинает вращаться и приводит в движение исполнительный механизм 6, перемещение которого измеряется датчиком 7 положения. Движение продолжается до тех пор, пока величина сигнала с датчика 7 положения не сравняется с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания. Интегральный регулятор 2 компенсирует действие всех помех, охваченных датчиком 7. Пропорциональный регулятор 8, блок 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальный регулятор 3 обеспечивают компенсацию основных инерционностей электродвигателя 5 и исполнительного механизма 6.
ДП
Для подтверждения высокого быстродействия предлагаемого следящего электропривода рассмотрим его структурную схему (фиг.2). Она содержит три контура: внутренний контур скорости и два контура положения. Для организации обратной связи по скорости сигнал безинерционного датчика положения с коэффициентом передачи k дифференцируется звеном с передаточной функцией
OCC
OCC
W(p)=kp,
OCC
где k - коэффициент передачи по скорости (постоянная времени дифференцирования).
Е
Я
Я
Электродвигатель постоянного тока представлен в виде двух последовательно соединенных звеньев, охваченных отрицательной обратной связью по э.д.с. двигателя с коэффициентом передачи СФ. Первое из этих звеньев описывает статические и динамические свойства якорной цепи электродвигателя, определяемые ее активным сопротивлением R и индуктивностью L
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>Я</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mi>Я</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Т</mi><mi>Я</mi></msub><mi>р</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Я</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mi>Я</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>Я</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
- электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя.
Второе звено, выходом которого является скорость ω электродвигателя, учитывает механическую инерционность объекта и в соответствии с основным уравнением движения электропривода описывается передаточной функцией
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>М</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>р</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>Я</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Е</mi></msub><mi>Ф</mi><msub><mi>Т</mi><mi>М</mi></msub><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>М</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>J</mi><msub><mi>R</mi><mi>Я</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Е</mi></msub><msub><mi>С</mi><mi>М</mi></msub><msup><mi>Ф</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Е
М
где
- электромеханическая постоянная времени, J - суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя, С и С - конструктивные коэффициенты электрической машины.
Такое представление справедливо и для синхронной машины, работающей в режиме вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока.
Исполнительный механизм представлен интегральным звеном, связывающим перемещение x(p) (угловое или линейное) со скоростью ω(p) электродвигателя
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>И</mi><mi>М</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>р</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>x</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>И</mi><mi>М</mi></mrow></msub></mrow><mi>р</mi></mfrac></mrow>
,
ИМ
где k - коэффициент передачи исполнительного механизма.
Силовой преобразователь с достаточной для инженерных расчетов точностью можно считать апериодическим звеном с передаточной функцией
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>р</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>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mi>р</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
,
СП
СП
где k и Т - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя, соответственно.
Пропорционально-дифференциальный регулятор первого (внутреннего) контура представлен передаточной функцией
ПД
ПД
ПД
W(р)=k(Тр+1),
ПД
ПД
где k - коэффициент передачи, а Т - постоянная времени регулятора.
П
Пропорциональный регулятор второго контура имеет коэффициент передачи k. Интегральный регулятор третьего (внешнего) контура представлен передаточной функцией
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>И</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>р</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>И</mi></msub><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
И
где Т - постоянная времени.
Передаточная функция объекта управления, под которым понимается совокупность электродвигателя и исполнительного механизма,
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>О</mi><mi>У</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>р</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>И</mi><mi>М</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Е</mi></msub><mi>Ф</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Т</mi><mi>Я</mi></msub><msub><mi>Т</mi><mi>М</mi></msub><msup><mi>р</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>М</mi></msub><mi>р</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
В большинстве случаев последнее выражение можно представить в виде
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>О</mi><mi>У</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>р</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>И</mi><mi>М</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Е</mi></msub><mi>Ф</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><mi>р</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Т</mi><mn>2</mn></msub><mi>р</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>р</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                     </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
1
2
где Т и Т постоянные времени, получающиеся из разложения знаменателя передаточной функции (1). Для определенности будем считать, что Т<Т.
Пропорционально-дифференциальный регулятор внутреннего контура предназначен для компенсации наибольшей инерционности объекта управления, поэтому его постоянная времени выбирается из условия
ПД
2
Т=Т.
С учетом этого передаточная функция следящего электропривода
<mrow><msub><mi>W</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>p</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub><msub><mi>Т</mi><mi>И</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msup><mi>p</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>Т</mi><mi>И</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msup><mi>p</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>Т</mi><mi>И</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msup><mi>p</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>И</mi></msub><mi>р</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
1
ПД
СП
ДУ
ИМ
ДП
ОСС
2
П
ПД
СП
ДУ
ИМ
ДП
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>У</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Е</mi></msub><mi>Ф</mi></mrow></mfrac></mrow>
где k=kkkkkk; k=kkkkkk;
.
П
ПД
Величины коэффициентов передачи пропорционального k и пропорционально-дифференциального k регуляторов выбираются из условия
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>П</mi></msub><mo>≺</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Д</mi></mrow></msub><msub><mi>k</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub><msub><mi>k</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>У</mi></mrow></msub><msub><mi>k</mi><mrow><mi>И</mi><mi>М</mi></mrow></msub><msub><mi>k</mi><mrow><mi>Д</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>О</mi><mi>С</mi><mi>С</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Величина постоянной времени интегрального регулятора выбирается из следующего условия
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>И</mi></msub><mo>≻</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
Е
Я
М
ДП
ИМ
СП
СП
ПД
ПД
П
И
ПП
max
Промоделируем рассматриваемый следящий электропривод в среде «МАТLАВ SIMULINK» для конкретной технической реализации. Расчетная модель следящего электропривода приведена на фиг.3. В ней учтено, что следящий электропривод используется в приводе подачи координатно-расточного станка с исполнительным электродвигателем 2ПБВ 100 М. Конструктивный коэффициент исполнительного электродвигателя СФ=0,375 Вс/рад. Исполнительный двигатель связан с подвижным узлом, например, столом шарико-винтовой парой с шагом h=10 мм/об. С учетом инерционности исполнительного механизма и активного и индуктивного сопротивлений силового преобразователя электромагнитная и электромеханическая постоянные времени электродвигателя равны Т=0,005 с и Т=0,199 с. Так как фактически задающий сигнал следящего электропривода формируется в дискретах датчика положения, то k=1, а коэффициент передачи исполнительного механизма k=1592 дискрет/рад (при дискретности измерения в 1 мкм). В качестве силового преобразователя в электроприводе используется 14 разрядный цифровой широтно-импульсный преобразователь с частотой коммутации силовых транзисторов 5 кГц и максимальным выходным напряжением 120 В, поэтому k=0,0073 В/дискрету, Т=0,0001 с. В расчетной модели также учтено, что выбраны следующие настройки регуляторов: Т=0,1937 с, k=256, k=8, Т=0,001 с. Расчетная модель позволяет построить переходные процессы по управлению (рис.4) и возмущению (рис.5), а также частотные характеристики следящего электропривода (рис.6). Анализ построенных графиков показывает, что время переходного процесса по управлению составляет t=0,00209 с, а перерегулирование - σ=0,465%. Динамический провал при набросе момента, эквивалентного току нагрузки в 1A не превышает Δx=0,000182 мкм, а статическая ошибка позиционирования равна нулю. Полоса частот пропускания следящего электропривода составляет 1880 рад/с или 299 Гц.
Полученные результаты позволяют сказать, что предложенный следящий электропривод практически в 10 раз превосходит по быстродействию устройство, взятое за прототип.
Таким образом, предлагаемый электропривод позволяет повысить быстродействие следящих систем.