Результат интеллектуальной деятельности: САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД

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

Известен 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, 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 (см. патент РФ №2399080, бюл. №25, 2010 г.).

Недостатком данного устройства является то, что в диапазоне повышенных рабочих частот ввиду приближенности описания используемой амплитудно-частотной характеристики оно не обеспечивает максимальную скорость работы электропривода.

Известен также 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 квадратор, первый блок деления, второй вход которого подключен к выходу первого источника постоянного сигнала, и второй сумматор, последовательно соединенные интегратор, синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора, последовательно соединенные второй источник постоянного сигнала и третий сумматор, последовательно соединение второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом квадратора и первыми входами четвертого, пятого и шестого сумматоров, третий блок умножения, второй блок деления, блок извлечения квадратного корня, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды и второму входу третьего сумматора, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и входу квадратора, а выход - ко входу интегратора, последовательно соединенные пятый блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам второго сумматора и блока извлечения квадратного корня, и третий блок деления, выход которого подключен ко второму входу четвертого блока умножения, а второй вход - к выходу первого источника постоянного сигнала, ко вторым входам четвертого, пятого и шестого сумматоров и первым входам четвертого, пятого и шестого блоков деления, причем второй вход четвертого блока деления подключен к выходу пятого сумматора и второму входу второго блока умножения, второй вход пятого блока деления - к выходу шестого сумматора и второму входу третьего блока умножения, второй вход шестого блока деления - к выходу четвертого сумматора и второму входу второго блока деления, а выход - ко второму входу второго сумматора, третий и четвертый входы которого подключены, соответственно, к выходам четвертого и пятого блоков деления (см. патент РФ №2450300, бюл. №13, 2012 г.).

Указанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято за прототип. Его недостатком является то, что в диапазоне повышенных рабочих частот 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 гармонического 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 первый квадратор, первый блок деления, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала, и второй сумматор, последовательно соединенные первый интегратор, синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора, последовательно соединение второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом квадратора и первыми входами третьего и четвертого сумматоров, третий блок умножения, второй блок деления, первый блок извлечения квадратного корня, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды и первому входу шестого сумматора, четвертый блок умножения и седьмой сумматор, второй вход которого подключен ко входу первого квадратора, а выход - ко входу первого интегратора, последовательно соединенные пятый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора, и третий блок деления, выход которого подключен ко второму входу четвертого блока умножения, а второй вход - к выходу первого источника постоянного сигнала, вторым входам третьего и четвертого сумматоров, а также первым входам четвертого, пятого блоков деления и восьмого сумматора, причем второй вход четвертого блока деления подключен к выходу четвертого сумматора и второму входу второго блока умножения, второй вход пятого блока деления - к выходу третьего сумматора и второму входу второго блока деления, а выход - ко второму входу второго сумматора, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам четвертого блока деления и шестого блока деления, первый вход которого подключен к выходу восьмого сумматора и второму входу третьего блока умножения, дополнительно вводятся последовательно соединенные датчик тока электродвигателя, второй интегратор, первый выпрямитель, седьмой блок деления, второй вход которого через второй выпрямитель соединен с выходом датчика скорости, установленным на выходном валу электродвигателя, и входом релейного элемента, элемент выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом релейного элемента, второй квадратор, девятый сумматор, второй блок извлечения квадратного корня, восьмой блок деления, десятый сумматор, одиннадцатый сумматор и девятый блок деления, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, а выход - ко входам первого квадратора и шестого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока извлечения квадратного корня, а выход - ко второму входу пятого блока умножения, последовательно соединенные двенадцатый сумматор, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, второму входу шестого блока деления и первому входу седьмого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход - ко второму входу восьмого сумматора, третий блок извлечения квадратного корня, десятый блок деления, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала, вторым входам девятого и двенадцатого сумматоров и восьмого блока деления, а выход - ко второму входу десятого сумматора и второму входу шестого сумматора, выход которого подключен к второму входу одиннадцатого сумматора.

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 в диапазоне повышенных рабочих частот, сохраняя заданную динамическую точность при одновременном изменении и амплитуды входного гармонического сигнала, и суммарного приведенного момента инерции.

На фиг.1 дана структурная схема самонастраивающегося электропривода, а на фиг.2 - объекты, поясняющие особенности и принцип работы предложенного устройства. На этих фигурах введены следующие обозначения: α - угол поворота выходного вала редуктора; - скорость вращения вала электродвигателя; α_ВХ - задающий (входной) гармонический сигнал, поступающий на вход электропривода; A_р, ω_р - амплитуда и частота сигнала α_ВХ, соответственно; U*, U - усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем, соответственно; ε=α_ВХ-α - ошибка электропривода; [ω_min, ω_max] - диапазон рабочих частот входного сигнала; ε₁ - заданное допустимое значение динамической ошибки работы рассматриваемого электропривода. Цифрой 1' на фиг.2 обозначена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рассматриваемого электропривода (A(ω_min), , A(ω_mах) - значения АЧХ на частотах ω_min, и ω_mах, соответственно); цифрой 2' - секущая, соединяющая точки A и B на этой АЧХ; а цифрой 3' - касательная к АЧХ в точке C с абсциссой . F (с абсциссой ), G, Н - точки пересечения горизонтальной прямой, имеющей ординату A_р/ε₁ с АЧХ 1, секущей 2 и касательной 3 к АЧХ 1 в точке С, соответственно.

Самонастраивающийся электропривод, содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, корректирующее устройство 2, усилитель 3, электродвигатель 4 с редуктором 5, на выходном валу которого установлен датчик 6 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, последовательно соединенные первый квадратор 7, первый блок 8 деления, второй вход которого подключен к выходу источника 9 постоянного сигнала, и второй сумматор 10, последовательно соединенные первый интегратор 11, синусный функциональный преобразователь 12, первый блок 13 умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика 14 амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора 1, последовательно соединение второй блок 15 умножения, первый вход которого соединен с выходом квадратора 7 и первыми входами третьего 16 и четвертого 17 сумматоров, третий блок 18 умножения, второй блок 19 деления, первый блок 20 извлечения квадратного корня, пятый сумматор 21, второй вход которого подключен к выходу задатчика 14 амплитуды и первому входу шестого сумматора 22, четвертый блок 23 умножения и седьмой сумматор 24, второй вход которого подключен ко входу первого квадратора 7, а выход - ко входу первого интегратора 11, последовательно соединенные пятый блок 25 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора 10, и третий блок 26 деления, выход которого подключен ко второму входу четвертого блока 23 умножения, а второй вход - к выходу первого источника 9 постоянного сигнала, вторым входам третьего 16 и четвертого 17 сумматоров, а также первым входам четвертого 27, пятого 28 блоков деления и восьмого сумматора 29, причем второй вход четвертого блока 27 деления подключен к выходу четвертого сумматора 17 и второму входу второго блока 15 умножения, второй вход пятого блока 28 деления - к выходу третьего сумматора 16 и второму входу второго блока 19 деления, а выход - ко второму входу второго сумматора 10, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам четвертого блока 27 деления и шестого блока 30 деления, первый вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 29 и второму входу третьего блока 18 умножения, последовательно соединенные датчик 31 тока электродвигателя 4, второй интегратор 32, первый выпрямитель 33, седьмой блок 34 деления, второй вход которого через второй выпрямитель 35 соединен с выходом датчика 36 скорости, установленным на выходном валу электродвигателя 4, и входом релейного элемента 37, элемент 38 выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом релейного элемента 37, второй квадратор 39, девятый сумматор 40, второй блок 41 извлечения квадратного корня, восьмой блок 42 деления, десятый сумматор 43, одиннадцатый сумматор 44 и девятый блок 45 деления, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора 43, а выход - ко входам первого квадратора 7 и шестого блока 46 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока 20 извлечения квадратного корня, а выход - ко второму входу пятого 25 блока умножения, последовательно соединенные двенадцатый сумматор 47, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора 39, второму входу шестого блока 30 деления и первому входу седьмого блока 48 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора 7, а выход - ко второму входу восьмого сумматора 29, третий блок 49 извлечения квадратного корня, десятый блок 50 деления, второй вход которого подключен к выходу источника 9 постоянного сигнала, вторым входам девятого 40 и двенадцатого 47 сумматоров и восьмого блока 42 деления, а выход - ко второму входу десятого сумматора 43 и второму входу шестого сумматора 22, выход которого подключен к второму входу одиннадцатого сумматора 44. Объект управления 51.

Самонастраивающийся электропривод работает следующим образом. Сигнал ошибки ε на выходе сумматора 1, первый отрицательный (со стороны датчика 6) и второй положительный входы которого имеют 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 ε при использовании корректирующего устройства 2 с постоянной структурой и постоянными параметрами увеличивается при увеличении нагрузки на электропривод, т.е. при увеличении суммарного приведенного момента инерции J, амплитуды A_р и частоты ω_р. Таким образом, если текущие A_р и J имеют такие значения, при которых ε становится меньше допустимой, то можно увеличивать ω_р, а следовательно, и скорость (производительность) работы рассматриваемого электропривода, не уменьшая его заданную динамическую точность.

Поскольку для типовых электродвигателей постоянного тока при отсутствии внешних возмущающих моментов и малых значениях сухого трения справедливо равенство iK_M=J (i - ток в якорной обмотке электродвигателя, К_M - коэффициент крутящего момента, - ускорение вращения вала электродвигателя), то несложно показать, что, если во время конкретного цикла работы электропривода его J=const, то справедливо выражение

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

Выпрямитель 35 и элемент 37 имеют характеристики

Поскольку интегратор 32 имеет коэффициент усиления К_M, то на выходе выпрямителя 33 формируется сигнал Если U_вых37=Δ₂, то на выходе элемента 38 формируется сигнал

получаемый на выходе блока 34. Если становится меньше значения Δ₁ (Δ₁ - некоторая малая величина), то U_вых37=0 и элемент 37 переводит элемент 38 в режим хранения, и на его выходе сохраняется то значение сигнала J, которые было определено на выходе блока 34 в момент обнуления выходного сигнала элемента 37, т.е. в момент начала действия условия <Δ₁ (см. Патент №2460110, бюл. 24 от 27.08.2012). Если в некоторый момент времени опять начинает выполняться условие >Δ₁, то вновь срабатывает элемент 37. При этом элемент 38 опять переводится в режим выборки, и на его выходе формируется текущее значение J.

Конечно, в начале нового цикла работы электропривода, пока <Δ₁ и вход элемента 38 отключен от выхода блока 34, значение J на выходе элемента 38 будет определяться неправильно. Но по истечении малого промежутка времени опять начнет выполняться условие ≥Δ₁, значение J будет вычисляться правильно и качественные показатели работы электропривода будут полностью обеспечены.

Первые (со стороны квадратора 39) положительные входы сумматоров 40 и 47, соответственно, имеют коэффициенты усиления (где R и K_ω - соответственно, активное сопротивление якорной цепи электродвигателя 4 и коэффициент его противоЭДС), а их вторые входы - единичные коэффициенты усиления. Источник 9 вырабатывает сигнал, равный единице. В результате на выходах блоков 42 и 50 формируются сигналы и соответственно.

Первый (со стороны блока 42) положительный вход сумматора 43 имеет коэффициент усиления, равный а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления, равный В результате на его выходе появляется сигнал

На выходе задатчика 14 формируется сигнал A_р. Первый (со стороны задатчика 14) положительный и второй отрицательный входы сумматора 22 имеют коэффициенты усиления, равные 1/ε₁ и единице, соответственно. В результате на его выходе формируется сигнал A_p/ε₁-A(ω_min).

Первый (со стороны сумматора 43) и второй положительные входы сумматора 44 имеют коэффициенты усиления ω_min и ω_max-ω_min, соответственно. В результате на выходе блока 45 формируется сигнал а на выходе квадратора 7 - сигнал (где k_H=(ω_max-ω_min)/(A(ω_max)-A(ω_min))).

Первые положительные входы сумматоров 16 и 17 (со стороны квадратора 7), а также 29 (со стороны источника 9) имеют коэффициенты усиления, равные и 1, соответственно, а их вторые входы - коэффициенты усиления, равные 1, 1 и соответственно. В результате на выходе блока 20 формируется сигнал

Первый отрицательный (со стороны блока 20) и второй положительный входы сумматора 21 имеют коэффициенты усиления К и 1/ε₁, соответственно. В результате на выходе сумматора 21 формируется сигнал

На выходах блоков 8, 27, 30, 28, соответственно, формируются сигналы

Первый (со стороны блока 8), третий (со стороны блока 27) и четвертый (со стороны блока 30) отрицательные входы сумматора 10 имеют коэффициенты усиления, равные 1, , и соответственно, а второй (со стороны блока 28) положительный вход - коэффициент усиления - . В результате на выходе сумматора 10 формируется сигнал а на выходе блока 26 - сигнал

Первый (со стороны блока 23) и второй положительные входы сумматора 24 имеют коэффициенты усиления 1/К и 1, соответственно. В результате, на его выходе сформируется сигнал

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

На выходе интегратора 11, имеющего единичный коэффициент усиления, формируется сигнал ω_pt, а на выходе функционального преобразователя 12 - сигнал sinω_pt. В результате на выходе блока 13 формируется гармонический сигнал α_ВХ с задаваемой амплитудой А_р и автоматически формируемой частотой ω_р, который и обеспечивает максимально возможную скорость работы электропривода (для заданных величин ε₁, A_р и текущего значения J).

Корректирующее устройство 2, обеспечивающее устойчивость работы 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_y - коэффициент усиления усилителя 3; i_p - передаточное отношение редуктора.

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_р, частотой ω_р и динамической ошибкой, не превышающей величины ε₁, должно выполняется неравенство

в результате с учетом выражений (3) и (4) можно записать равенство

Однако в диапазоне повышенных частот получить аналитическое выражение, описывающие зависимость ω_р=f(A_p, ε₁, J), весьма сложно (см. выражение (5)). Поэтому вначале целесообразно линейно аппроксимировать текущую АЧХ, а затем с помощью полученной линейной зависимости по известной ординате A_p/ε₁ уже находить частоту ω_р.

Из фиг.2 видно, что в диапазоне рабочих частот [ω_min, ω_max] аппроксимация участка падающей АЧХ 1' отрезком прямой 2'(секущей), расположенной между точками с ординатами A(ω_min) и A(ω_mах), приведет к тому, что при использовании этого отрезка для известной ординаты A_p/ε₁ будет найдена частота (см. абсциссу точки G на фиг. 2), большая искомой частоты (см. абсциссу точки F). Но использование > при формировании сигнала α_ВХ неизбежно приведет к тому, что динамическая точность системы ухудшится, превысив ε₁. Для устранения указанной негативной ситуации при поиске текущего значения частоты ω_р в предлагаемом устройстве используется касательная 3' к АЧХ в точке С, которая имеет абсциссу . Используя уравнение этой касательной , где A'( ) производная А(ω) в точке ω= , можно определить абсциссу ω_р точки Н, имеющей ординату - A_р/ε₁ (см. фиг.2). Эта абсцисса в данном устройстве формируется на выходе сумматора 24 (см. выражение 2) и является искомой частотой входного гармонического сигнала.

Очевидно, что указанный выбор ω_р приводит к незначительному снижению быстродействия системы, поскольку ω_р< (см. фиг.2), но при этом всегда будет выполняться главное неравенство ε≤ε₁, для обеспечения которого и создавалось предлагаемое устройство. При этом ω_р и всегда будут достаточно близки.