Способ автоматического регулирования координат электропривода и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электроприводами постоянного тока, применяемыми в опорно-поворотных устройствах, металлообрабатывающих станках, механизмах металлургического производства и других системах управления движением, требующих автоматического регулирования координат.

Известен способ автоматического регулирования координат электропривода и устройство для его осуществления (Анучин А.С. Системы управления электроприводов: Учебник для вузов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2015. с. 264-270). Согласно способу задают скорость электропривода, измеряют ток и скорость электропривода, регулируют скорость электропривода в зависимости от ее заданной и измеренной величины по пропорциональному или пропорционально-интегральному закону, вычисляют целевую величину тока и ограничивают ее, далее регулируют ток в зависимости от его целевой и измеренной величины по пропорционально-интегральному закону, вычисляют целевую величину напряжения, затем регулируют напряжение и питают напряжением электрический двигатель, причем динамику регулирования скорости электропривода устанавливают ниже динамики регулирования тока электропривода. Устройство, реализующее данный способ, представляет собой «структуру с подчиненным регулированием координат» и содержит задатчик скорости, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход первого сумматора соединен с информационным выходом датчика скорости, выход первого сумматора соединен с входом регулятора скорости, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход второго сумматора соединен с информационным выходом датчика тока, выход второго сумматора соединен с входом регулятора тока, выход которого соединен со входом силового преобразователя, выход силового преобразователя через датчик тока соединен с цепью питания электрического двигателя, а электрический двигатель механически соединен с датчиком скорости и исполнительным механизмом.

Недостатками данного технического решения являются сниженная динамика регулирования скорости и ограниченная точность регулирования скорости, что связано с последовательным регулированием скорости и тока, а также с использованием пропорционального или пропорционально-интегрального закона регулирования скорости.

Известен также способ автоматического регулирования координат электропривода и устройство для его осуществления (Терехов В.М. Системы управления электроприводов: Учебник для вузов/В.М. Терехов, О.И. Осипов; Под ред. В.М. Терехова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. с. 115-121). Согласно способу задают скорость электропривода, измеряют ток и скорость электропривода, регулируют скорость и ток электропривода по единому пропорциональному закону, вычисляют целевую величину напряжения, затем регулируют напряжение и питают напряжением электрический двигатель, при этом скорость регулируют в зависимости от ее заданной и измеренной величины, ток регулируют в зависимости от измеренной величины тока, уставки токоограничения и измеренной величины скорости, причем зависимость регулирования тока от измеренной величины тока и уставки токоограничения устанавливают по нелинейному закону «зона нечувствительности». Устройство, реализующее данный способ, представляет собой «структуру с суммирующим усилителем и обратной связью с отсечкой» и содержит задатчик скорости, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход сумматора соединен с информационным выходом датчика скорости, третий вход сумматора соединен с выходом первого усилителя, вход которого соединен с входом нелинейного элемента вида «зона нечувствительности», вход которого соединен с информационным выходом датчика тока, выход сумматора соединен с входом второго усилителя, выход которого соединен с входом силового преобразователя, силовой преобразователь через датчик тока соединен с цепью питания электрического двигателя, а электрический двигатель механически соединен с датчиком скорости и исполнительным механизмом.

Недостатками данного технического решения являются ограниченная точность регулирования скорости, ограниченная точность регулирования тока, сложность регулирования тока, что связано с использованием пропорционального закона, общего для регулирования скорости и тока, а также нелинейного закона «зона нечувствительности».

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического регулирования координат электропривода и устройство для его осуществления, (Патент RU на изобретение №2414048, опубл. 10.03.2011, МПК Н02Р 007/292, G05B 11/01). Согласно способу задают скорость электропривода, измеряют ток и скорость электропривода, регулируют скорость электропривода в зависимости от ее заданной и измеренной величины по интегральному закону, прерывают интегрирование в зависимости от измеренной величины тока и уставки токоограничения, затем корректируют регулирование скорости электропривода по закону модального управления в зависимости от измеренной величины скорости и измеренной величины тока, а ток регулируют по тому же закону модального управления в зависимости от измеренной величины тока, уставки токоограничения и измеренной величины скорости, вычисляют целевую величину напряжения, далее регулируют напряжение и питают напряжением электрический двигатель, причем зависимости прерывания интегрирования и регулирования тока от измеренной величины тока и уставки токоограничения устанавливают по нелинейному закону «зона нечувствительности».

Устройство, реализующее данный способ содержит задатчик скорости, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход первого сумматора соединен с первым информационным выходом датчика скорости, выход первого сумматора соединен с первым входом релейного переключателя, со вторым входом которого соединен формирователь нуля, а с третьим его входом соединен первый выход нелинейного элемента вида «зона нечувствительности», вход которого соединен с первым информационным выходом датчика тока, выход релейного переключателя соединен с входом интегрального элемента регулирования, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, со вторым входом второго сумматора соединен выход первого усилителя, с входом которого соединен второй выход нелинейного элемента «зона нечувствительности», с третьим входом второго сумматора соединен выход второго усилителя, с входом которого соединен второй информационный выход датчика тока, с четвертым входом второго сумматора соединен выход третьего усилителя, с входом которого соединен второй информационный выход датчика скорости, выход второго сумматора соединен со входом четвертого усилителя, выход которого соединен со входом силового преобразователя, выход силового преобразователя через датчик тока соединен с цепью питания электрического двигателя, а электрический двигатель механически соединен с датчиком скорости и исполнительным механизмом.

Недостатками настоящего технического решения являются ограниченная точность регулирования тока, сниженная динамика регулирования скорости, сложность регулирования тока и скорости. Ограниченная точность регулирования тока связана с использованием модального закона регулирования тока. Сниженная динамика регулирования скорости связана с двухэтапным ее регулированием и использованием интегрального закона регулирования. Сложность регулирования связана с использованием модального закона, который, кроме того, является общим для регулирования скорости и тока.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и точности регулирования координат электропривода, а также упрощение регулирования скорости и тока.

Технический результат заключается в улучшении динамики и повышении точности регулирования координат, а также в упрощении устройства, реализующего заявленный способ автоматического регулирования координат электропривода.

Это достигается тем, что в известном способе автоматического регулирования координат электропривода, включающем измерение тока и скорости электропривода, регулирование скорости электропривода в зависимости от ее заданной и измеренной величины, прерывание интегрирования, вычисление целевой величины напряжения, регулирование напряжения и питание напряжением электрического двигателя, при этом регулирование скорости электропривода в зависимости от ее заданной и измеренной величины осуществляют по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону, затем вычисляют результирующий сигнал управления, далее ограничивают результирующий сигнал управления, затем осуществляют прерывание интегрирования в законе регулирования скорости в зависимости от заданной и измеренной величины скорости, результирующего сигнала управления до его ограничения и результирующего сигнала управления после его ограничения, далее прерывают действие закона регулирования скорости в зависимости от измеренной величины тока, уставки токоограничения и регулируют ток по релейному закону в зависимости от измеренной величины тока и уставки токоограничения.

Это достигается также тем, что известное устройство, реализующее способ автоматического регулирования координат электропривода, содержащее задатчик скорости электропривода, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, релейный переключатель, выход которого соединен со входом интегрального элемента регулирования, первый формирователь нуля, второй сумматор, силовой преобразователь, выход которого соединен с датчиком тока, который, в свою очередь, соединен с электрическим двигателем, к электрическому двигателю механически подсоединены датчик скорости и исполнительный механизм, при этом информационный выход датчика тока соединен с входом нелинейного элемента, информационный выход датчика скорости соединен со вторым входом первого сумматора, снабжено пропорциональным элементом регулирования, дифференциальным элементом регулирования, управляемым ограничителем и вторым формирователем нуля, при этом нелинейный элемент выполнен релейного типа, первый выход первого сумматора соединен с входом пропорционального элемента регулирования, второй выход первого сумматора соединен с входом дифференциального элемента регулирования, а третий выход первого сумматора соединен с первым входом релейного переключателя, второй вход релейного переключателя соединен с выходом первого формирователя нуля, выход пропорционального элемента регулирования соединен с первым входом второго сумматора, выход дифференциального элемента регулирования соединен со вторым входом второго сумматора, а выход интегрального элемента регулирования соединен с третьим входом второго сумматора, первый выход второго сумматора соединен с первым входом управляемого ограничителя, второй выход второго сумматора соединен с третьим входом релейного переключателя, второй вход управляемого ограничителя соединен с выходом второго формирователя нуля, первый выход управляемого ограничителя соединен с входом силового преобразователя, второй выход управляемого ограничителя соединен с четвертым входом релейного переключателя, выход нелинейного элемента соединен с третьим входом управляемого ограничителя.

Сущность предлагаемых технических решений поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, реализующего заявленный способ автоматического регулирования координат электропривода; на фиг. 2 представлена характеристика «вход-выход» нелинейного элемента релейного типа для управления управляемым ограничителем; на фиг. 3 показана характеристика «вход-выход» управляемого ограничителя; на фиг. 4 показана статическая электромеханическая характеристика электропривода при осуществлении предложенных технических решений; на фиг. 5 показана статическая электромеханическая характеристика электропривода согласно способу и реализующему его устройству по прототипу; на фиг. 6 показаны диаграммы изменения координат электроприводов при отработке скачка задающего воздействия без достижения током уставки токоограничения при осуществлении предложенного способа автоматического регулирования координат электропривода и при осуществлении способа по прототипу; на фиг. 7 показаны диаграммы изменения координат электропривода при отработке скачка задающего воздействия и скачкообразного приложения нагрузки при достижении током уставки токоограничения согласно предложенному способу и согласно способу по прототипу.

На графических изображениях приняты следующие обозначения: I - ток электропривода; ω - скорость электропривода; М_н - момент нагрузки; ω_з - заданная скорость электропривода; I_то - уставка токоограничения; U_нэ - выходной сигнал нелинейного элемента; U_min и U_max - уровни ограничения выходного сигнала управляемого ограничителя; U_Σ1 - рассогласование по скорости; U_н1 - сигнал на выходе первого формирователя нуля; U_н2 - сигнал на выходе второго формирователя нуля; U_Σ2 - результирующий сигнал управления до ограничения; U_yo - результирующий сигнал управления после ограничения; U_рп - сигнал на выходе релейного переключателя; U_п - напряжение питания электрического двигателя; I_н - ток нагрузки.

Устройство, реализующее способ автоматического регулирования координат электропривода, содержит задатчик скорости электропривода (ЗС) 1, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 2. Первый выход первого сумматора 2 соединен с входом пропорционального элемента регулирования (П) 3, второй выход первого сумматора 2 соединен с входом дифференциального элемента регулирования (Д) 4, а третий выход первого сумматора 2 соединен с первым входом релейного переключателя (РП) 5. Второй вход релейного переключателя 5 соединен с выходом первого формирователя нуля (H1) 6. Выход релейного переключателя 5 соединен с входом интегрального элемента регулирования (И) 7. При этом пропорциональный элемент регулирования 3, дифференциальный элемент регулирования 4 и интегральный элемент регулирования 7 образуют пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор скорости электропривода. Выход пропорционального элемента регулирования 3 соединен с первым входом второго сумматора 8, выход дифференциального элемента регулирования 4 соединен со вторым входом второго сумматора 8, а выход интегрального элемента регулирования 7 соединен с третьим входом второго сумматора 8. Первый выход второго сумматора 8 соединен с первым входом управляемого ограничителя (УО) 9. Второй выход второго сумматора 8 соединен с третьим входом релейного переключателя 5. Второй вход управляемого ограничителя 9 соединен с выходом второго формирователя нуля (Н2) 10. Первый выход управляемого ограничителя 9 соединен с входом силового преобразователя (СП) 11. Второй выход управляемого ограничителя 9 соединен с четвертым входом релейного переключателя 5. Выход силового преобразователя 11 соединен с датчиком тока (ДТ) 12, который в свою очередь соединен с электрическим двигателем (ЭД) 13. К электрическому двигателю 13 механически подсоединены датчик скорости (ДС) 14 и исполнительный механизм (М) 15. Информационный выход датчика тока 12 соединен с входом нелинейного элемента релейного типа (НЭ) 16. Выход нелинейного элемента релейного типа 16 соединен с третьим входом управляемого ограничителя 9. Информационный выход датчика скорости 14 соединен со вторым входом первого сумматора 2.

Электрический двигатель 13 выполнен с независимым возбуждением. Силовой преобразователь 11 выполнен на основе полупроводниковой техники. В качестве датчика тока 12 и датчика скорости 14 могут быть использованы соответствующие измерительные устройства любого типа. Все элементы регулирования 3, 4, 7, первый 2 и второй 8 сумматоры, релейный переключатель 5, управляемый ограничитель 9, нелинейный элемент 16, задатчик скорости 1, первый 6 и второй 10 формирователи нуля могут быть реализованы на базе аналоговой техники или на базе программно-аппаратных средств цифровой вычислительной техники. Исполнительный механизм 15 может иметь любую конструкцию.

Реализация предложенным устройством регулирования предлагаемого способа автоматического регулирования координат электропривода осуществляется следующим образом.

Задатчик скорости 1 формирует закон изменения заданной скорости ω_з. Датчик тока 12 измеряет действительную величину тока I электропривода. Датчик скорости 14 измеряет действительную величину скорости электропривода ω. Сигнал на выходе первого формирователя нуля 6 имеет нулевой уровень. Сигнал на выходе второго формирователя нуля 10 имеет нулевой уровень.

Первый сумматор 2 вычисляет рассогласование по скорости U_Σ1, а именно, разность заданной скорости ω_з и измеренной величины скорости электропривода ω. Сигналы на первом, втором и третьем выходах первого сумматора 2 равны между собой. Величины коэффициентов пропорционального 3, дифференциального 4 и интегрального 7 элементов регулирования настраивают таким образом, чтобы скомпенсировать электромагнитную инерцию и электромеханическую инерцию электропривода. Таким образом, реализуется пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования скорости электропривода в зависимости от ее заданной и измеренной величины. Второй сумматор 8 вычисляет сумму сигналов на выходах пропорционального 3, дифференциального 4 и интегрального 7 элементов регулирования. Таким образом, вычисляется результирующий сигнал управления U_Σ2. Первый и второй выходы второго сумматора 8 идентичны.

Нелинейный элемент 16 с релейной характеристикой «вход-выход» (фиг. 2) изменяет свое состояние в зависимости от уставки токоограничения I_то и измеренной величины тока I электропривода, и управляет управляемым ограничителем 9. Если ток I электропривода по абсолютной величине не превышает уставку токоограничения I_то, то сигнал U_нэ на выходе нелинейного элемента 16 равен 0 (фиг. 2). Если ток I электропривода по абсолютной величине превышает уставку токоограничения I_то, то сигнал U_нэ на выходе нелинейного элемента 16 равен 1 (фиг. 2). Выходной сигнал U_нэ нелинейного элемента 16 подается на третий вход управляемого ограничителя 9.

Силовой преобразователь 11 регулирует напряжение U_п в зависимости от значения U_yo, поданного на его вход с выхода управляемого ограничителя 9 и питает напряжением электрический двигатель 13. Электрический двигатель 13 осуществляет управляемое электромеханическое преобразование энергии и приводит в движение механизм 15, к которому приложен момент нагрузки М_н.

Управляемый ограничитель ограничивает результирующий сигнал управления и вычисляет целевую величину напряжения питания электрического двигателя. Характеристика «вход-выход» управляемого ограничителя 9 (фиг. 3) устанавливает связь между сигналами на его входах и выходах. Выходной сигнал U_yo управляемого ограничителя 9, являющийся результирующим сигналом управления после ограничения, равен целевой величине напряжения питания. Сигналы на первом и втором выходах управляемого ограничителя 9 равны между собой.

Если сигнал U_нэ на выходе нелинейного элемента 16 равен 0, то сигнал с первого входа управляемого ограничителя 9 передается на его выходы. В этом случае характеристика «вход-выход» управляемого ограничителя 9 имеет вид 1 на фиг. 3 и его выходной сигнал U_yo пропорционален сигналу U_Σ2. Указанная характеристика имеет уровни ограничения U_min и U_max, причем U_min=-U_max. При этом силовой преобразователь 11 формирует напряжение U_п в соответствии с пропорционально-интегрально-дифференциальным законом регулирования скорости. Тем самым формируется жесткий участок 1 электромеханической характеристики электропривода при астатической стабилизации скорости (фиг. 4).

Если сигнал U_нэ на выходе нелинейного элемента 16 равен 1, то сигнал U_н2, равный 0, со второго входа управляемого ограничителя 9 подается на его выходы. В этом случае характеристика «вход-выход» управляемого ограничителя 9 имеет вид 2 на фиг. 3, а выходной сигнал U_yo равен 0 и не зависит от сигнала U_Σ2 на его первом входе. Таким образом, осуществляется прерывание действия пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования скорости в зависимости от измеренной величины тока и уставки токоограничения. Следовательно, при этом силовой преобразователь 11 формирует нулевое напряжение U_п=0, а ток электропривода I по абсолютной величине спадает ниже уровня токоограничения I_то, что приводит к переключению нелинейного элемента и его выходной сигнал U_нэ становится равным 0. Таким образом, осуществляется регулирование тока по релейному закону в зависимости от измеренной величины тока и уставки токоограничения.

Интегрирующий элемент регулирования 7 интегрирует значение сигнала U_рп, поданного на его вход с выхода релейного переключателя 5. Сигнал U_рп формируется в зависимости от сигналов на первом, третьем и четвертом входах релейного переключателя.

Если одновременно выполняются условия

то сигнал U_н1, равный 0, со второго входа релейного переключателя 5 подается на выход релейного переключателя 5. Следовательно, U_рп=U_н1=0. При этом прерывается интегрирование интегрирующим элементом регулирования 7. При всех остальных сочетаниях сигналов U_Σ1, U_Σ2, U_yo, которые не удовлетворяют условиям (1) и (2), сигнал с первого входа релейного переключателя 5 подается на выход релейного переключателя 5. Следовательно, U_рп=U_Σ1. При этом интегрирующий элемент регулирования 7 осуществляет интегрирование по закону регулирования скорости электропривода. Условия (1) и (2) для прерывания интегрирования выполняются при прерывании управляемым ограничителем 9 действия пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования скорости, а также при выходе выходного сигнала U_yo управляемого ограничителя 9 из диапазона от U_min до U_max по характеристике 1 на фиг. 3. Таким образом, осуществляется прерывание интегрирования в законе регулирования скорости в зависимости от заданной и измеренной величины скорости, результирующего сигнала управления до его ограничения и результирующего сигнала управления после его ограничения.

Управление релейным переключателем 5 и, следовательно, прерывание интегрирования позволяет избежать накопления ошибки регулирования скорости интегрирующим элементом регулирования 7 при токоограничении.

Управление управляемым ограничителем 9 и прерывание действия пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования скорости электропривода позволяет реализовать релейный закон регулирования тока в зависимости от его измеренной величины и уставки токоограничения и тем самым поддерживать ток на уровне уставки I_то, получив участок 2 с нулевой жесткостью (фиг. 4).

Упрощение формирования скорости в заявленном техническом решении по сравнению с изобретением, выбранным в качестве прототипа, заключается в том, что пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования скорости проще по реализации и настройке, чем модальный закон регулирования скорости. Упрощение формирования тока в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом, заключается в том, что релейный закон регулирования тока проще по реализации и настройке, чем модальный закон регулирования тока.

Прерывание действия закона регулирования скорости в зависимости от измеренной величины тока и уставки токоограничения в предлагаемом способе автоматического регулирования координат электропривода и реализующем его устройстве по сравнению с изобретением по прототипу позволяет обеспечить строгое равенство тока I электропривода и уставки I_то при токоограничении, что иллюстрируют статические электромеханические характеристики, показанные на фиг. 4 и фиг. 5. Участок 1 астатической стабилизации скорости электропривода на фиг. 4 и аналогичный участок 1 на фиг. 5 совпадают с заданным уровнем заданной скорости ω_з, если ток I не достигает уставки токоограничения I_то. Если то I достигает уставку токоограничения I_то, то участок 2 на фиг. 4 совпадает с уставкой I_то, в то время как участок 2 на фиг. 5 отклоняется от уставки I_то.

Прерывание действия закона регулирования скорости в зависимости от измеренной величины тока и уставки токоограничения в предложенном техническом решении позволяет использовать пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования скорости. Этот закон позволяет полностью скомпенсировать электромагнитную инерцию и электромеханическую инерцию электрического двигателя и не привносит дополнительную инерционность, что повышает быстродействие автоматического регулирования координат.

Повышение быстродействия автоматического регулирования координат электропривода иллюстрируют графики изменения скорости ω и тока I электропривода при отработке скачка задающего воздействия ω_p, показанные на фиг. 6. График 1 на фиг. 6 показывает изменение во времени заданной скорости ω_з. График 2 на фиг. 6 показывает изменение скорости ω электропривода, а график 3 на фиг. 6 показывает изменение тока I электропривода при предложенном способе автоматического регулирования координат электропривода. График 4 на фиг. 6 показывает изменение электропривода при предложенном способе автоматического регулирования координат электропривода. График 4 на фиг. 6 показывает изменение скорости ω электропривода, а график 5 на фиг. 6 показывает изменение тока I электропривода при способе автоматического регулирования координат электропривода по прототипу. В обоих случаях установлена одинаковая величина среднегеометрического корня характеристических полиномов систем, реализующих указанные способы автоматического регулирования координат электропривода. При этом токи электроприводов не достигают уставки токооганичения I_то (график 6). График 2 скорости ω по сравнению с графиком 4 скорости ω имеет меньшее транспортное запаздывание и больший темп нарастания до уровня заданной скорости ω_з (график 1), что свидетельствует об улучшении динамики, а именно, повышении быстродействия автоматического регулирования координат электропривода.

Повышение точности автоматического регулирования координат электропривода иллюстрируют графики изменения скорости ω и тока I электропривода при отработке скачка задающего воздействия ω_з и скачкообразного приложения нагрузки М_н, показанные на фиг. 7. График 1 на фиг. 7 показывает изменение во времени заданной скорости ω_з. График 2 на фиг. 7 показывает изменение скорости ω электропривода, а график 3 на фиг. 7 показывает изменение тока I электропривода при предложенном способе автоматического регулирования координат электропривода. График 4 на фиг. 7 показывает изменение скорости ω электропривода, а график 5 на фиг. 7 показывает изменение тока I электропривода при способе автоматического регулирования координат электропривода по прототипу. График 6 показывает величину уставки токоограничения I_то. График 7 показывает изменение тока нагрузки I_н, который обусловлен моментом М_н, приложенным к электроприводу. В обоих случаях установлена одинаковая величина уставки токоограничения I_то и величина среднегеометрического корня характеристических полиномов систем, реализующих указанные способы автоматического регулирования координат электропривода.

После приложения нагрузки I_н (график 7), превышающей уставку токоограничения I_то (график 6), график 3 совпадает с графиком 6, то есть ток электропривода I равен уставке токоограничения I_то. Скорость электропривода ω (график 2) при этом изменяется под действием разности тока электропривода и нагрузки.

После приложения нагрузки I_н, превышающей уставку токоограничения I_то, график 5 стремится к графику 7 и превышает график 6, то есть ток электропривода I не равен уставке I_то и превышает ее. Скорость электропривода ω (график 4) при этом изменяется под действием разности тока электропривода I и тока нагрузки I_н до равновесного значения в соответствии с электромеханической характеристикой (фиг. 5). Перечисленные выше обстоятельства свидетельствует о повышении точности автоматического регулирования координат электропривода.

Использование изобретения позволяет упростить регулирование скорости и тока, а также повысить быстродействие и точность систем автоматического регулирования координат электроприводов, в том числе опорно-поворотных устройств различного назначения, металлообрабатывающих станков, механизмов металлургического производства и других механизмов, требующих автоматического регулирования координат.