САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД
SELF-TUNING ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электроприводам и может быть использовано при создании их систем управления.
Известно устройство для управления приводом робота, содержащее блок умножения, последовательно соединенные усилитель, электродвигатель, датчик тока, первый сумматор, второй выход электродвигателя: соединен с исполнительным механизмом, датчиком положения и датчиком скорости, выходы датчика положения и датчика скорости соединены соответственно со вторыми входами второго сумматора и блока деления, второй вход первого сумматора соединен с выходом измерителя внешнего момента, последовательно соединенные инерционное дифференцирующее звено, вход которого подключен к выходу второго сумматора и ко входу апериодического звена, а выход соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока деления, первый вход которого соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход блока умножения соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом апериодического звена, а выход - с входом усилителя (см. А.с. СССР №1142810, БИ №8, 1985 г.).
Недостатком данного устройства является то, что оно обеспечивает только инвариантность электропривода к изменению его суммарного момента инерции и при этом не корректирует параметры входных сигналов с целью повышения быстродействия всей системы в целом при сохранении заданной точности управления.
Известен также самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - ко второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый косинусный и второй синусный функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен, соответственно, к выходам первого и второго функциональных преобразователей, а их выходы, соответственно -ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом первого датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, и седьмой блок умножения, выход которого подключен к пятому входу четвертого сумматора, второй датчик ускорения, последовательно соединенные четвертый косинусный функциональный преобразователь, подключенный входом к выходу седьмого сумматора, восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора, и девятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика ускорения, а его выход - с шестым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик сигнала и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - ко второму входу седьмого блока умножения (см. патент РФ №2345885, Бюл. №4, 2009 г.).
Указанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Его недостатком является то, что оно, обеспечивая инвариантность параметров электропривода к взаимовлиянию между всеми степенями подвижности манипулятора в процессе его движения, не позволяет корректировать параметры входных сигналов с целью повышения быстродействия (производительности) всей системы в целом при сохранении заданной динамической точности управления.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение максимально возможной скорости работы привода при изменении амплитуды задающего гармонического сигнала без снижения заданной динамической точности.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного контура самонастройки, в котором формируется максимально возможное (при заданной динамической ошибке и амплитуде входного сигнала) значение частоты задающего сигнала, а следовательно, и максимально возможная скорость работы электропривода без превышения допустимого значения динамической ошибки управления.
Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель с редуктором, на выходном валу которого установлен датчик положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные задатчик амплитуды, квадратор, блок деления, второй вход которого подключен к выходу первого источника постоянного сигнала, второй сумматор, первый блок извлечения квадратного корня, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго источника постоянного сигнала и второму входу второго сумматора, второй блок извлечения квадратного корня, интегратор, синусный функциональный преобразователь и блок умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".
При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают максимально возможную скорость работы электропривода манипулятора, сохраняя заданную динамическую точность при изменении амплитуды входного гармонического сигнала.
ВХ
p
p
p
p
ВХ
ВХ
*
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема самонастраивающегося электропривода и введены следующие обозначения: α - угол поворота выходного вала редуктора; α=Asinωt - задающий (входной) сигнал, поступающий на вход электропривода; A, ω - амплитуда и частота сигнала α, соответственно; U, U - усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 4, соответственно; ε=α-α - ошибка электропривода.
Самонастраивающийся электропривод содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, корректирующее устройство 2, усилитель 3, электродвигатель 4 с редуктором 5, на выходном валу которого установлен датчик положения 6, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, последовательно соединенные задатчик 7 амплитуды, квадратор 8, блок 9 деления, второй вход которого подключен к выходу первого источника 10 постоянного сигнала, второй сумматор 11, первый блок 12 извлечения квадратного корня, третий сумматор 13, второй вход которого подключен к выходу второго источника 14 постоянного сигнала и второму входу второго сумматора 11, второй блок 15 извлечения квадратного корня, интегратор 16, синусный функциональный преобразователь 17 и блок 18 умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика 7 амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора 1, объект управления 19.
р
p
ВХ
р
р
Электропривод работает следующим образом. Сигнал динамической ошибки ε на выходе сумматора 1, имеющего единичные коэффициенты усиления, после коррекции в блоке 2, усиливаясь, поступает на вход электродвигателя 4, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от поступающего сигнала U. Как известно, величина ошибки ε при установленном корректирующем устройстве 2 с постоянной структурой и постоянными параметрами будет увеличиваться при увеличении и амплитуды А, и частоты ω входного сигнала α, и наоборот, их уменьшение приведет к уменьшению значения ε. Таким образом, если текущая А имеет такое значение, при котором ε становится меньше допустимой, то можно увеличить ω, а следовательно, и скорость (производительность) работы электропривода, не превышая заданную динамическую точность.
р
1
На выходах задатчика амплитуды 7 и источника 10 постоянного сигнала формируются сигналы А и , соответственно, где ε - заданное допустимое значение динамической ошибки работы рассматриваемого электропривода. В результате на выходе блока 9 деления формируется сигнал .
На выходе источника 14 постоянного сигнала установлено единичное напряжение. Оба положительных входа сумматора 11 имеют единичные коэффициенты усиления, поэтому на выходе блока 12 извлечения квадратного корня появляется сигнал
Первый положительный (со стороны блока 12) и второй отрицательный входы сумматора 13 имеют коэффициенты усиления . В результате на выходе блока 15 извлечения квадратного корня формируется сигнал
p
1
определяющий частоту ω, обеспечивающую максимально возможную скорость гармонического движения электропривода с ошибкой, не превышающей ε.
p
p
ВХ
р
p
1
р
На выходе интегратора 16, имеющего единичный коэффициент усиления, формируется сигнал ωt, а на выходе синусного функционального преобразователя 17 - гармонический сигнал sinωt. В результате на выходе блока 18 умножения формируется искомый гармонический сигнал α с задаваемой амплитудой А и автоматически формируемой частотой ω, который и обеспечивает максимально возможную скорость работы электропривода (для заданных величин ε и А).
Для пояснения этого факта отметим, что корректирующее устройство 2, обеспечивающее устойчивость рассматриваемого электропривода, имеет вид:
1
2
1
ср
ср
где Т>>Т=const, T=1/ω=const, ω - частота среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) электропривода. В результате передаточная функция прямой цепи электропривода с малой электрической постоянной времени с учетом этого корректирующего устройства примет вид:
,
а его АЧХ-вид:
м
ω
у
p
где  R - активное сопротивление якорной цепи электродвигателя; K, K - соответственно, коэффициенты крутящего момента и противоЭДС; K - коэффициент усиления усилителя мощности; J - суммарный момент инерции, приведенный к валу электродвигателя; i - передаточное отношение редуктора.
3
1
3
2
р
Поскольку в реальных электроприводах Т>>Т и Т>>T, то в реальном диапазоне изменения ω выражение (2) вполне может быть заменено выражением
р
р
1
Известно (см. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1978. - 256 с.), что при гармоническом управлении электроприводом с рабочей амплитудой А, частотой ω и динамической ошибкой, не превышающей величины ε, должно выполняется неравенство
В результате с учетом выражений (3) и (4) можно получить равенство
р
р
1
на основе которого, в свою очередь, можно сформировать выражение (1), которое и определяет максимально возможное текущее значение ω, при котором при текущем значении А будет обеспечена максимально возможная скорость (производительность) работы рассматриваемого электропривода с динамической ошибкой, не превышающей заданной величины ε.