ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ С УПРУГИМИ СВЯЗЯМИ И НАБЛЮДАТЕЛЕМ СКОРОСТИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может использоваться для управления электроприводами на основе двигателей постоянного тока с независимым возбуждением.
Известно устройство для управления скоростью электропривода, содержащий источник питания, регулятор скорости, регулятор момента, преобразователь, двигатель, датчик тока и датчик скорости. (Теория электропривода: Учебник для вузов/ Ключев В.И., М.: Энергоатомиздат, 1998. - с. 536).
Недостатком такого устройства является то, что двухмассовый объект сложнее в управлении одномассового, а упругие связи влияют на качество управления по сложному закону.
Наиболее близким к предлагаемому решению является электрический привод постоянного тока для управления объектом с упругими связями, содержащий блок задания скорости, источник питания, силовой преобразователь, через датчик тока соединенный с двигателем постоянного тока, который механически связан с первым датчиком скорости и через кинематическую вязкоупругую передачу с исполнительным механизмом, на валу которого размещен второй датчик скорости, первый и второй элементы сравнения, регулятор тока, нелинейный элемент и регулятор скорости, на неинвертирующий вход первого элемента сравнения подключено задающее напряжение, выход датчика тока соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход первого элемента сравнения через регулятор скорости и нелинейный элемент подключен ко второму входу второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения через регулятор тока подключен к управляющему входу силового преобразователя, в состав привода введены третий элемент сравнения, интегратор, при этом выход первого датчика скорости подключен к неинвертирующему входу третьего элемента сравнения, к инвертирующему входу которого присоединен выход второго датчика скорости, выход третьего элемента сравнения подключен ко входу интегратора, датчик тока соединен с инвертирующим входом первого элемента сравнения, выход первого элемента сравнения соединен с первым входом регулятора скорости, ко второму, третьему, четвертому и пятому входам которого подключены соответственно выходы датчика тока, интегратора, первого датчика скорости и второго датчика скорости, причем ко второму входу регулятора тока подключен выход первого датчика скорости, (патент РФ №2489797, опубл. 10.082013)
Данное устройство обеспечивает управление электроприводом, но требует наличие датчика скорости второй массы. На ряде устройств, таких как промышленные роботы, и механизмы применение датчика скорости второй массы затруднительно или невозможно, либо экономически нецелесообразно.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении эксплуатационных, технологических и уменьшении стоимостных показателей электропривода постоянного тока для управления объектом с упругими связями.
Технический эффект, возникающий при решении технической задачи, состоит в использовании наблюдающего устройства для восстановления скорости второй массы и достигается тем, что известный электрический привод постоянного тока для управления объектом с упругими связями, содержащий блок задания скорости, источник питания, силовой преобразователь, через датчик тока соединенный с двигателем постоянного тока, который механически связан с датчиком скорости и через кинематическую вязкоупругую передачу с исполнительным механизмом, первый и второй элементы сравнения, регулятор тока, нелинейный элемент и регулятор скорости, на неинвертирующий вход первого элемента сравнения подключен выход блока задания скорости, выход датчика тока соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход первого элемента сравнения через регулятор скорости и нелинейный элемент подключен ко второму входу второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения через регулятор тока подключен к управляющему входу силового преобразователя, третий элемент сравнения, интегратор, при этом выход датчика скорости подключен к неинвертирующему входу третьего элемента сравнения, выход третьего элемента сравнения подключен ко входу интегратора, датчик тока соединен с инвертирующим входом первого элемента сравнения, выход первого элемента сравнения соединен с первым входом регулятора скорости, ко второму, третьему и четвертому входам которого подключены соответственно выходы датчика тока, интегратора и датчика скорости, причем ко второму входу регулятора тока подключен выход датчика скорости, согласно полезной модели снабжен наблюдателем скорости исполнительного механизма, подключенным выходом к инвертирующему входу третьего элемента сравнения и пятому входу регулятора скорости, а первым и вторым входами соединенный с выходом датчика скорости и выходом датчика тока соответственно.
Устройство поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема устройства для управления объектом с упругими связями и наблюдателем скорости исполнительного механизма.
Устройство содержит блок задания скорости 1, источник питания 2, силовой преобразователь 3, через датчик тока 4 соединенный с двигателем постоянного тока 5, который механически связан с датчиком скорости 6 и через кинематическую вязкоупругую передачу 7 с исполнительным механизмом 8, первый 9 и второй 10 элементы сравнения, регулятор тока 11, нелинейный элемент 12 и регулятор скорости 13, на неинвертирующий вход первого элемента сравнения 9 подключен выход блока задания скорости 1, выход датчика тока 4 соединен с первым входом второго элемента сравнения 10, выход первого элемента сравнения 9 через регулятор скорости 13 и нелинейный элемент 12 подключен ко второму входу второго элемента сравнения 10, выход второго элемента сравнения 10 через регулятор тока 11 подключен к управляющему входу силового преобразователя 3, третий элемент сравнения 14, интегратор 15, при этом выход датчика скорости 6 подключен к неинвертирующему входу третьего элемента сравнения 14, выход третьего элемента сравнения 14 подключен ко входу интегратора 15, датчик тока 4 соединен с инвертирующим входом первого элемента сравнения 9, выход первого элемента сравнения 9 соединен с первым входом регулятора скорости 13, ко второму, третьему и четвертому входам которого подключены соответственно выходы датчика тока 4, интегратора 15 и датчика скорости 6, причем ко второму входу регулятора тока 11 подключен выход датчика скорости 6. Устройство снабжено наблюдателем скорости исполнительного механизма 16, подключенным выходом к инвертирующему входу третьего элемента сравнения 14 и пятому входу регулятора скорости 13, а первым и вторым входами соединен с выходом датчика скорости 6 и выходом датчика тока 4 соответственно.
С
З
2
1
2
1
2
а
1
З
З
1
PC
PC
С
У
1
1
1
2
1
2
1
2
1
2
З
Устройство работает следующим образом. В начальный момент пуска электропривода включают напряжение сети U, подающееся на силовой вход силового преобразователя 3 с выхода источника напряжения 2. На неинвертирующий вход первого элемента сравнения 9 с выхода блока задания скорости 1 подают задающее напряжение U, величина которого определяет скорость вращения ω исполнительного механизма 8. При этом скорость вращения ω электродвигателя постоянного тока 5 и скорость вращения ω исполнительного механизма 8 начинают возрастать с нуля. Скорость исполнительного механизма 8 определяется с помощью наблюдателя скорости исполнительного механизма 16. Параметры наблюдателя скорости исполнительного механизма 16 могут быть рассчитаны на основе принципов модального управления. (Системы управления электроприводов/ Терехов В.М. М.: Академия, 2005. - с. 92). На выходе наблюдателя скорости исполнительного механизма 16 образуется напряжение, пропорциональное скорости вращения исполнительного механизма 8. Датчик скорости 6 и наблюдатель скорости исполнительного механизма 16 в начальный момент вырабатывают на своих выходах напряжения Uω=Uω=0. Третий элемент сравнения 14, получающий на инвертирующем и неинвертирующем входах сигналы, равные по величине, обеспечивает отсутствие напряжения на входе интегратора 15 и, как следствие, нулевое значение величины Δφ на выходе интегратора 15. Поскольку ток Iэлектродвигателя постоянного тока 5 в начальный момент времени также нулевой, напряжение U, снимаемое с информационного выхода датчика тока 4 равно нулю. Следовательно, в начальный момент времени регулятор скорости 13 получает только одно управляющее воздействие (задающее напряжение U). На инвертирующий вход первого элемента сравнения 9 поступает нулевое напряжение. Это приводит к появлению на выходе первого элемента сравнения 9 разности единственного задающего напряжения U и нулевого напряжения U, снимаемого с информационного выхода датчика тока 4. Возникшую разность напряжений последовательно обрабатывает регулятор скорости 13. Тем самым, на выходе регулятора скорости 13 появляется напряжение U, поступающее на вход нелинейного элемента 12. Если напряжение регулятора скорости U не превышает порогового значения, определяемого характеристикой нелинейного элемента 12, то оно без изменений поступает на первый вход второго элемента сравнения 10. Если же это напряжение превысит порог (в нашем случае соответствующий трехкратному номинальному току якорной обмотки электродвигателя постоянного тока 5), дальнейшего увеличения выходного напряжения нелинейного элемента 12 не происходит. Тем самым электродвигатель постоянного тока 5 защищен от чрезмерных токов в цепи якоря. На второй вход второго элемента сравнения 10 поступает сигнал от датчика тока 4. Этот сигнал в начальный момент времени нулевой. Выходное напряжение второго элемента сравнения 10 обрабатывается регулятором тока 11. Поскольку электродвигатель постоянного тока 5 в начальный момент времени не вращается, сигнал с датчика скорости 6, поступающий на второй вход регулятора тока 11 нулевой. Напряжение регулятора тока 11 подается на управляющий вход силового преобразователя 3. Наличие напряжения сети U на силовом входе и управляющего напряжения U на входе управления силового преобразователя 3 приводит к появлению на выходе силового преобразователя 3 напряжения U. Под действием этого напряжения электродвигатель постоянного тока 5 начинает вращаться. Появляется ток в якорной цепи электродвигателя постоянного тока 5, что приводит к возникновению напряжения U на выходе датчика тока 4. Напряжение U появляется на входах всех соединенных с датчиком тока 4 элементов сравнения. Вместе с электродвигателем постоянного тока 5 через кинематическую вязкоупругую передачу 7 начинает вращаться и исполнительный механизм 8. В процессе разгона из-за вязкоупругих свойств кинематической передачи 7 мгновенные значения скорости вращения вала электродвигателя постоянного тока 5 (ω) и исполнительного механизма 8 (ω) могут отличаться друг от друга. Появляющиеся напряжения с датчика скорости 6 и наблюдателя скорости вращения исполнительного механизма 16 (Uω и Uω соответственно) поступают на входы всех соединенных с ними элементов. На выходе третьего элемента сравнения 14 появляется разность напряжений Uω-Uω, которая после интегрирования интегратором 15 формирует напряжение, соответствующее Δφ - разности углов положений валов электродвигателя постоянного тока 5 и исполнительного механизма 8. Это напряжение появляется на третьем входе регулятора скорости 13. По мере увеличения скорости электродвигателя постоянного тока 5 скорость его вращения ω увеличивается, ток якорной обмотки, продержавшись на заданном уровне, определяемом уставкой нелинейного элемента 12, падает. Исполнительный механизм 8 разгоняется. При этом все перерегулирования переходного процесса отрабатываются элементами синтезированной системы управления. Установившееся значение регулируемого параметра (в данном случае скорости вращения исполнительного механизма 8 ω) наступает при достижении напряжениями обратных связей регулятора тока 11 и регулятора скорости 13 заданных величиной U величин.
Таким образом, использование синтезированных регуляторов скорости и тока в составе электропривода позволяет обеспечить высокое быстродействие и качество переходных процессов. Все это снижает износ деталей механизмов, минимизирует вероятность их поломки, положительно влияет на производительность и качество продукции. При этом регуляторы позволяют аналогично классическим каскадным регуляторам проводить раздельную настройку контуров тока и скорости, осуществлять ограничение тока электродвигателя. Применение наблюдателя скорости исполнительного механизма позволяет отказаться от применения датчика скорости исполнительного механизма, что в ряде случаев экономически или физически затруднительно. Наблюдатель скорости исполнительного механизма 16 может быть выполнен как на аналоговой элементной базе, так и на программируемом логическом контроллере.