Результат интеллектуальной деятельности: САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Изобретение относится к электроприводам и может быть использовано при создании их систем управления.

Известен самонастраивающийся электропривод (см. патент РФ №2345885, БИ №4, 2009 г.), 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.

Недостатком данного устройства 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.

Известен также самонастраивающийся электропривод (см. патент РФ №2399080, БИ №25, 2010 г.), 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, 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.

Указанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято за прототип. Его недостатком является то, что оно не позволяет сохранить заданную динамическую точность при изменении суммарного приведенного момента инерции электропривода.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение максимально возможной скорости работы электропривода при одновременном изменении и амплитуды задающего гармонического сигнала, и его суммарного момента инерции 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, амплитуде входного сигнала и текущем значении суммарного приведенного момента инерции электропривода) 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, последовательно соединенные задатчик амплитуды, первый квадратор, первый блок деления, второй сумматор, первый блок извлечения квадратного корня, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала и второму входу второго сумматора, последовательно соединенные 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, дополнительно вводятся последовательно соединенные датчик тока электродвигателя, интегратор, первый выпрямитель, второй блок деления, второй вход которого через второй выпрямитель соединен с выходом датчика скорости, который установлен на выходном валу электродвигателя, и входом релейного элемента, элемент выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом релейного элемента, а выход, через второй квадратор, - со вторым входом первого блока деления и первым входом третьего блока деления, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - ко входу второго блока извлечения квадратного корня.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна", явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. обладает критерием «изобретательский уровень». Данное техническое решение промышленно применимо.

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают максимально возможную скорость работы электропривода, сохраняя заданную динамическую точность при одновременном изменении и амплитуды входного гармонического сигнала, и суммарного приведенного момента инерции.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема самонастраивающегося электропривода и введены следующие обозначения: α - угол поворота выходного вала редуктора; - угловая скорость вращения ротора электродвигателя; α_ВХ=A_psinω_pt - задающий (входной) гармонический сигнал, поступающий на вход электропривода; A_p, ω_p - амплитуда и частота сигнала α_ВХ соответственно; J - суммарный приведенный момент инерции ротора электродвигателя и вращающихся частей редуктора с объектом управления; U*, U - усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 4 соответственно; ε=α_ВХ-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, первый квадратор 8, первый блок 9 деления, второй сумматор 10, первый блок 11 извлечения квадратного корня, третий сумматор 12, второй вход которого подключен к выходу источника 13 постоянного сигнала и второму входу второго сумматора 10, последовательно соединенные второй блок 14 извлечения квадратного корня, интегратор 15, синусный функциональный преобразователь 16 и блок 17 умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика 7 амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора 1, последовательно соединенные датчик 18 тока электродвигателя 4, интегратор 19, первый выпрямитель 20, второй блок 21 деления, второй вход которого через второй выпрямитель 22 соединен с выходом датчика 23 скорости, который установлен на выходном валу электродвигателя 4, и входом релейного элемента 24, элемент 25 выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом релейного элемента 24, а выход, через второй квадратор 26, - со вторым входом первого блока 9 деления и первым входом третьего блока 27 деления, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 12, а выход - к входу второго блока 14 извлечения квадратного корня. Объект управления 28.

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 нагрузки на электропривод, т.е. при изменении суммарного приведенного момента инерции J, амплитуды A_p и частоты ω_p входного сигнала α_ВХ, и, наоборот, их уменьшение приведет к уменьшению значения ε. Таким образом, если текущие A_p и J имеют такие значения, при которых ε становится меньше допустимой, то можно увеличить ω_p, а следовательно, и скорость (производительность) работы электропривода, не превышая заданную динамическую точность.

Поскольку для типовых электродвигателей постоянного тока при отсутствии внешних возмущающих моментов и малых значениях сухого трения справедливо равенство (i - ток в якорной обмотке электродвигателя, K_м - коэффициент крутящего момента, - ускорение вращения вала двигателя), то несложно показать, что

где t₀ и t - соответственно начальное и конечное время интегрирования в пределах одного рабочего цикла.

Следовательно, учитывая выражение (1), на выходе блока 21 сформируется сигнал J. При этом исключается ситуация, когда происходит деление на ноль при . Более того, для обеспечения качественной работы блока 21, учитывая, что J всегда положителен, необходимо вообще исключить изменение знаков делимого и делителя в выражении (1). Для решения этой задачи используются элементы 20, 22, 24, 25 (см. фиг.).

Поскольку интегратор 19 имеет коэффициент усиления K_м, то на выходе выпрямителя 20 формируется сигнал . Выпрямитель 22 и релейный элемент 24 имеют следующие выходные характеристики:

.

Если U_{вых 24}=Δ₂, то на выходе элемента 25 формируется сигнал

,

получаемый на выходе блока 21. Если становится меньше значения Δ₁ (Δ₁ - некоторая малая величина), то U_{вых 24}=0, и элемент 24 переводит элемент 25 выборки-хранения в режим запоминания. При этом на выходе элемента 25 запоминается и сохраняется то значение сигнала J, которые было определено на выходе блока 21 в момент обнуления выходного сигнала элемента 24, т.е. в момент начала действия условия . Если в некоторый момент времени опять начинает выполняться условие , то вновь срабатывает элемент 24. При этом элемент 25 опять переводится в режим выборки и начинает воспроизводить на своем выходе текущее значение J.

Конечно, во время отключения входа элемента 25 от выхода блока 21, когда , может произойти изменение J на некоторую величину. Это может привести к снижению качества работы электропривода только лишь в случае резкого увеличения величины J в режиме остановки электропривода. Однако по истечении малого промежутка времени качественные показатели его работы полностью восстанавливаются.

На выходе задатчика 7 формируется сигнал A_p. В результате на выходе блока 9 формируется сигнал .

На выходе источника 13 установлено единичное напряжение. Первый положительный (со стороны блока 9) вход сумматора 10 имеет коэффициент усиления, равный (где R - активное сопротивление якорной цепи электродвигателя, ε₁ - заданное допустимое значение динамической ошибки работы рассматриваемого электропривода, K_ω - коэффициент противоЭДС, K - коэффициент, который будет пояснен ниже), а второй положительный - единичный коэффициент усиления. Поэтому на выходе блока 11 формируется сигнал .

Первый положительный (со стороны блока 11) и второй отрицательный входы сумматора 12 имеют коэффициенты усиления . В результате на выходе блока 27 деления формируется сигнал , а на выходе блока 14 - сигнал

определяющий частоту ω_p, обеспечивающую максимально возможную скорость гармонического движения электропривода с ошибкой, не превышающей ε₁.

На выходе интегратора 15, имеющего единичный коэффициент усиления, формируется сигнал ω_pt, а на выходе синусного функционального преобразователя 16 - гармонический сигнал sinω_pt. В результате на выходе блока 17 формируется искомый гармонический сигнал α_вх c задаваемой амплитудой A_p и автоматически формируемой частотой ω_p, который и обеспечивает максимально возможную скорость работы электропривода (для заданных величин ε₁, A_p и текущего значения J).

Для пояснения этого факта отметим, что корректирующее устройство 2, обеспечивающее устойчивость рассматриваемого электропривода, имеет вид:

,

где T₁>>T₂=const, T₁=1/ω_cp=const, ω_cp - частота среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) электропривода. Причем величина ω_ср определяется при J=(J_min+J_max)/2, где [J_min; J_max] - диапазон изменения суммарного приведенного момента инерции электропривода. В результате передаточная функция прямой цепи электропривода с малой электрической постоянной времени с учетом этого корректирующего устройства примет вид:

,

а его АЧХ - вид:

где K_у - коэффициент усиления усилителя мощности; i_p - передаточное отношение редуктора.

Поскольку в реальных электроприводах T₃>>T₁ и T₃>>T₂, то в рабочем диапазоне изменения ω_p выражение (3) вполне может быть заменено выражением

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 A_p, частотой ω_p и динамической ошибкой, не превышающей величины ε₁, должно выполняется неравенство

В результате с учетом выражений (4) и (5) можно получить равенство

,

на основе которого, в свою очередь, можно сформировать выражение (2). Указанное выражение с учетом текущих значений A_p, J и определяет максимально возможную частоту ω_p, при которой будет обеспечена максимально возможная скорость (производительность) работы рассматриваемого электропривода с динамической ошибкой, не превышающей заданной величины ε₁.

То есть рассматриваемый электропривод за счет введения указанной выше самонастройки будет обладать предельно высоким быстродействием и заданной точностью при любых значениях A_p и J.