СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ И ЭЛЕКТРОПРИВОД
ELECTRIC DRIVE CONTROL METHOD AND ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам, и может быть использовано для автоматического управления скоростью относительного перемещения детали и инструмента, в том числе скоростью резания, на металлообрабатывающих и созданных на их базе станках.
Известен способ управления электроприводом, включающий формирование командного сигнала как временной функции от заданного угла поворота выходного вала электропривода, измерение фактического угла поворота выходного вала электропривода, формирование сигнала обратной связи как функции от фактического угла поворота выходного вала электропривода, формирование управляющего сигнала как разницы командного сигнала и сигнала обратной связи, причем командный сигнал формируют пропорционально синусу текущего значения заданного угла поворота выходного вала электропривода, а сигнал обратной связи формируют пропорционально синусу фактического значения угла поворота выходного вала электропривода, формируют дополнительный командный сигнал пропорционально косинусу текущего значения заданного угла поворота выходного вала электропривода, дополнительный сигнал обратной связи, пропорциональный косинусу фактического угла поворота выходного вала электропривода, и дополнительный управляющий сигнал как разницу между ними. Указанный способ реализован в электроприводе, содержащем задатчик угла поворота выходного вала электропривода, датчик угла поворота выходного вала электропривода и контур управления, включающий в себя блок вычитания, выход которого через усилитель мощности подключен к электродвигателю, причем в контур управления введены два нелинейных синусных преобразователя, при этом задатчик угла поворота выходного вала электропривода через первый нелинейный синусный преобразователь соединен с первым входом блока вычитания, а датчик угла поворота выходного вала электропривода через второй нелинейный синусный преобразователь подключен ко второму входу блока вычитания (см. патент №2218656 Российской Федерации на изобретение, кл. Н02Р 6/00, 2003 г.).
Указанное техническое решение является наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату.
Однако применение известного способа и устройства на металлообрабатывающих станках и созданных на их базе устройств, например, устройств для нанесения покрытий, например устройств для наплавки, известных из патентной литературы, вызовет ряд недостатков в их работе. В частности, например, при обработке торцов деталей большого диаметра, при постоянной, стабильной скорости вращения детали, по мере приближения к оси вращения изделия режущего инструмента (резца) или инструмента для нанесения покрытия (например, установленной вместо резца горелки) происходит значительное увеличение относительной скорости перемещения (относительной линейной скорости при неизменной угловой) поверхности детали относительно указанных инструментов, что отрицательно сказывается на качестве обработки детали. Так, например, при обработке торца детали большого диаметра на металлообрабатывающем станке возникает значительная разница в величинах скоростей резания в начале и в конце обработки детали, что отрицательно влияет на качество обработки, например на чистоту обработки поверхности и точность обработки, а также на надежность и долговечность станка. При нанесении покрытий на детали вследствие указанных недостатков происходит неравномерное нанесение покрытия на ее поверхность, в результате чего получается покрытие неравномерной толщины.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа управления электроприводом и электропривода, обеспечивающих управление электроприводом вращения детали металлообрабатывающего станка, по углу поворота путем изменения частоты управляющих сигналов и частоты вращения детали и обеспечивающего постоянную относительную линейную скорость детали и инструмента, чем обеспечивается постоянная скорость резания независимо от величины радиального (по отношению к детали) перемещения инструмента, например резца, в процессе обработки металлов резанием и постоянная толщина покрытия при нанесении покрытий на детали, например, путем наплавки.
Для способа указанная техническая задача решается тем, что в способе управляющие сигналы формируют путем изменения их частоты, исходя из обеспечения постоянной оптимальной относительной линейной скорости детали и инструмента металлообрабатывающего станка, причем частоты управляющих сигналов формируют как функции положения режущего инструмента относительно центра вращения детали. При этом указанная относительная линейная скорость вращения детали относительно резца (режущего инструмента) равна постоянной оптимальной скорости резания при механической обработке детали при помощи режущего инструмента, например резца, на металлообрабатывающем станке, благодаря чему в случае механической обработки деталей на металлообрабатывающем станке обеспечивается точность обработки детали и надежность станка за счет обеспечения постоянной оптимальной скорости резания независимо от величины радиального перемещения режущего инструмента в процессе обработки детали и постоянная оптимальная толщина покрытия при нанесении покрытий на детали, например, путем наплавки, при использовании для этого металлообрабатывающих станков.
На чертеже изображена блок-схема заявляемого электропривода.
Электропривод содержит электродвигатель 1, например, бесколлекторный, выходной вал 2 которого является выходным валом электропривода. На выходном валу 2 установлен датчик 3 угла поворота. Электропривод управляется от задатчика 4 угла поворота выходного вала электропривода. В контур управления электроприводом входят два нелинейных преобразователя, в качестве которых используются синусные преобразователи 5 и 6, блок 7 вычитания и усилитель мощности 8. Задатчик 4 угла поворота выходного вала электропривода через первый синусный преобразователь 5 соединен с первым входом блока 7 вычитания. Датчик 3 угла поворота выходного вала электропривода через второй синусный преобразователь 6 соединен со вторым входом блока 7 вычитания. Электродвигатель имеет первую статорную обмотку 9 и вторую статорную обмотку 10. Выход блока 7 вычитания соединен с входом усилителя 8 мощности, выход которого подключен к первой статорной обмотке 9 электродвигателя 1.
Электропривод снабжен дополнительным контуром управления, включающим в себя третий и четвертый нелинейные преобразователи, в качестве которых используются два косинусных преобразователя 11 и 12, дополнительный блок 13 вычитания и дополнительный усилитель 14 мощности. Задатчик 4 угла поворота выходного вала электропривода дополнительно соединен через первый косинусный преобразователь 11 с первым входом блока 13 вычитания, а датчик 3 угла поворота выходного вала электропривода через второй косинусный преобразователь 12 подключен ко второму входу блока 13 вычитания. Выход блока 13 вычитания соединен с входом усилителя 14 мощности, выход которого подключен ко второй статорной обмотке 10 электродвигателя (выход блока 13 может быть подключен к любой статорной обмотке электродвигателя).
Электропривод содержит блок 15 ввода данных, устройство 16 запуска, выход которого соединен с первым входом задатчика 4 угла поворота, вычислитель 17, первый выход которого соединен с первым входом устройства запуска, второй выход через таймер 18 соединен со вторым входом устройства запуска, а вход подключен к блоку 15 ввода данных, блок 19 пуска, который подключен ко второму входу устройства запуска, датчик 20 тока, подключенный к статорной обмотке 10, компаратор 21, первый выход которого подключен к датчику 20 тока, а второй соединен через упомянутый таймер со вторым входом устройства 16 запуска и со вторым входом задатчика 4 угла поворота.
Электропривод, при помощи которого реализуется предлагаемый способ, работает следующим образом.
В вычислитель 17 через блок 15 ввода данных заносят значения следующих параметров:
max,
min
- максимальный и минимальный диаметры обрабатываемой детали (DD),
- линейную скорость (постоянную) перемещения резца относительно обрабатываемой поверхности,
подачи
- значение подачи резца (V).
Вычислитель 17 определяет:
1
- начальную частоту f задатчика 4 угла поворота,.
2
- конечную частоту f задатчика угла поворота,
обр
- время t обработки детали,
- коэффициент пропорциональности k
Кнопкой «Пуск» (блок 19) запускают шпиндель станка через блок устройства 16 запуска, которое управляет задатчиком 4 угла поворота по следующему алгоритму.
1
1
1
Кнопка «Пуск» (блок 19) дает разрешение на прохождение сигнала от вычислителя 17 на задатчик 4 угла поворота, обеспечивающий прохождение сигнала с частотой f на синусный преобразователь 5. Если расчет параметров в вычислителе 17 не закончен, устройство запуска 16 находится в режиме ожидания. Шпиндель (не показан) приходит во вращение с частотой n=60f/p, где р - число пар полюсов.
0
1
1
В момент подвода резца (не показан) к обрабатываемой поверхности (начало резания) ток электродвигателя начинает возрастать. Информация о токе двигателя снимается с датчика 20 тока, установленного в одной из фаз электродвигателя, и сравнивается со значением тока установки I (см. чертеж). Оба этих сигнала поступают на вход компаратора 21. Сигнал с выхода компаратора 21 запускает таймер 18, отключающий шпиндель через время, равное времени обработки детали, и переводит задатчик 4 угла поворота в режим реализации функции f(t)=f+k·t (где f - начальная частота вращения шпинделя, t - время), чем обеспечивается регулирование частоты вращения шпинделя, обеспечивающее постоянную линейную скорость перемещения резца относительно обрабатываемой поверхности детали.
1
Для обеспечения оптимальных режимов резания рационально осуществлять обработку детали с постоянной линейной скоростью перемещения обрабатываемой поверхности относительно резца. Так как линейная скорость вращения прямо пропорциональна диаметру обрабатываемой поверхности, при радиальном перемещении резца к центру детали (уменьшении диаметра резания) требуется пропорционально увеличивать частоту вращения шпинделя. Т.е. частота вращения шпинделя является функцией положения резца относительно центра вращения детали. При известной подаче резца эту зависимость можно представить как функцию времени f(t)=f+k·t, исключив, таким образом, координаты резца из рассмотрения и упростив практическую реализацию поставленной задачи. В данном случае в качестве исходных данных для вычисления положения резца (в вычислителе 17) требуется знать только текущее время, определяемое с момента касания резцом обрабатываемой поверхности по сигналу с датчика тока.
Соответствие частоты вращения шпинделя частоте, задаваемой задатчиком 4 угла поворота, обеспечивается в точном соответствии известным образом, так же, как указано в упомянутом патенте №2218656 Российской Федерации на изобретение.
Предлагаемый способ может быть реализован в следящих электроприводах с использованием современных электронных компонентов, производство которых хорошо отработано как отечественной, так и зарубежной промышленностью. В частности, в качестве датчика и задатчика угла поворота выходного вала электропривода могут использоваться потенциометрические датчики угла типа ПТП-2-1 Киевского завода "Электроприбор". При проектировании синусных и косинусных преобразователей могут использоваться схемы аналогичных преобразователей, описанные в книге: С.Сокпоф. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Мир, 1988. Практическая реализация управления следящим электроприводом осуществима на большинстве современных микроконтроллеров, имеющих в своем составе аналого-цифровой преобразователь (АЦП), таймер и необходимое количество портов для ввода и вывода информации. Разрядность и другие требования к микроконтроллеру определяются конкретными требованиями к разрабатываемой системе.