5.2 Функциональная, структурная схема привода, передаточные функции звеньев. Работа электропривода

Замкнутый следящий привод ПР представляет собой систему подчи­ненного регулирования. Она состоит из ряда контуров, число которых равно числу регулируемых переменных (или числу больших постоянных времени системы, подлежащих компенсации), причем каждый внутренний контур регу­лирования подчинен следующему по порядку внешнему (по отношению к внутреннему) контуру. Эта подчиненность выражается в том, что заданное зна­чение регулируемой переменной любого внутреннего контура определяется выходным сигналом регулятора следующего по порядку контура. В результате все внутренние контуры работают как подчиненные задаче регулирования выходной координаты системы. Каждый контур строится по принципу регулиро­вания по отклонению (по ошибке) и имеет свою обычно жесткую отрицатель­ную обратную связь по регулируемой переменной и свой регулятор (сумми­рующий усилитель). Для каждого внешнего контура внутренний контур (или несколько внутренних контуров) входит в состав объекта регулирования [8].

Рисунок 5.1-Функциональная схема замкнутого следящего электропривода ПР

Общая функциональная схема замкнутого следящего ЭП, отрабатываю­щего заданный угол поворота φ₃, с подчиненными контурами регулирования силы тока и частоты вращения, изображена на рисунке 5.1 [10]. Первый контур образован двигателем (ЭД) с усилителем мощности (УМ), датчиком (ДТ) и ре­гулятором (РТ) тока. Во второй контур входят также датчик скорости (частоты вращения) (ДС) и регулятор скорости (PC). Третий контур дополнительно со­держит датчик положения (угла) (ДП) и регулятор положения (РП). Выходной сигнал регулятора каждого внешнего контура является задающим для после­дующего контура, заключенного внутри его. Звено (-ья) манипулятора и пере­мещаемый груз служат нагрузкой (Н), которая связана с двигателем через ре­дуктор (Р). Блоки PC, РТ, УМ, ЭД и обратные связи с ДТ и ДС образуют серво­привод, т. е. в данном случае ЭШИМ-1.

Структурная схема разрабатываемого ЭП представлена на рисунке 5.2 [8]. Передаточные функции соответствующих звеньев схемы расписаны ниже.

Рисунок 5.2-Структурная схема замкнутого следящего электропривода

ДПТ независимого (параллельного) возбуждения представляет собой замкнутую структуру, которую образуют электрическая и механическая части с передаточными функциями:

Wэ(p)= , (5.1)

Wм(p)= , (5.2)

где Т_э, Т_м - рассчитанные ранее (см. раздел 4.3) электромагнитная и механиче­ская постоянные времени; р - комплексная переменная.

Регуляторы тока, скорости и положения в основном имеют передаточ­ные функции ПИ-регулятора:

Wрт(p)= , (5.3)

Wрт(p)= , (5.4)

Wрт(p)= , (5.5)

где к_рт, к_РС, к_рп и Т_рт, Т_РС, Т_РП - соответственно коэффициенты передачи и постоянные времени регуляторов по току, скорости, положению.

Преобразователь представлен как апериодическое звено 1-го порядка:

Wп(p)= , (5.6)

где к_п, Т_п - коэффициент передачи и постоянная времени преобразователя.

Передаточная функция редуктора определяется его передаточным чис­лом:

Wп(p)= . (5.7)

Датчики тока, скорости и положения чаще всего представляют, как безынерционные звенья, т. е. пропорциональные элементы:

W_дт(p)=k_дт, (5.8)

W_дс(p)=k_дс, (5.9)

W_дп(p)=k_дп, (5.10)

где к_дт, к_дс, к_дп - коэффициенты передачи датчиков по току, скорости и по­ложению.

На структурной схеме u₃ - это задающее напряжение, при подачи кото­рого на вход системы, на ее выходе отрабатывается угол поворота φ.

На данном этапе проектирования ЭП, когда выбран конкретный тип двигателя, необходимо определиться с составом и исполнением (типом) серво­привода, После этого обычно оформляют заказ либо на изделие, либо только на его техническую документацию; определяют динамическую модель заданной части системы привода (согласно функциональной схеме); рассчитывают пара­метры регулятора положения, корректирующих устройств и реализуют их на аналоговых или цифровых элементах. В последнем случае понадобится еще и цифро-аналоговый преобразователь, так как серийные сервоприводы воспри­нимают аналоговый сигнал ω₃ задания скорости в диапазоне ±10 В (границам этого интервала соответствует максимальная скорость) [10].

ЭШИМ1 является многокоординатным приводом, т. е. может осуществ­лять управление до трех ЭД по соответствующим координатам ПР. Поэтому, ориентируясь на единую систему управления манипулятором, рационально бы­ло бы выбрать тип привода для трех ЭД. Однако, в силу отсутствия информа­ции по двум другим двигателям, берем привод типа ЭШИМ1-300000207УХЛ4 с блоками регулирования типа БС3001-322ФУХЛ4 (для серий двигателей ПЯ и ДПУ) и питания типа БС9802-325ФУХЛ4. Напряжение трехфазной питающей сети 380 В, 50 Гц [11].

Технические характеристики устройства питания БС9802-325ФУХЛ4:

• напряжение питания цепей управления 15 В;

• номинальное выходное напряжение 150 В;

• номинальный ток 16 А;

• климатическое исполнение УХЛ4;

• габариты 200x300x161 мм;

• масса 8,5 кг.

Технические характеристики статического преобразователя для ЭП по­стоянного тока БС3001-322ФУХЛ4:

• напряжение питания цепей управления 15 В;

• напряжение питания силовой цепи 150...220 В;

• номинальный ток 16 А;

• реверсивный широтно-импульсный для питания якоря;

• климатическое исполнение УХЛ4;

• габариты 200x300x161 мм;

• масса 10 кг.

БП и БР выполнены в виде самостоятельных блоков исполнения IP00 одностороннего обслуживания. Блоки предназначены для встройки в шкафы комплектных устройств.

Кроме того, в состав комплектного привода входят автоматический вы­ключатель, магнитный пускатель с приставкой, согласующий трансформатор и якорный дроссель. Также могут входить встроенный тормоз и датчик пути, пи­тание которых осуществляется отдельно потребителем.

Рекомендуемый тип якорных дросселей для тока 16, 25 А - ДСА-552. Его габариты 115x150x133 мм, а масса 4,1 кг.

Тип согласующего трансформатора выбирается по мощности второй обмотки, определяемой исходя из параметров выбранных двигателей по фор­муле:

P_тр=1,05Kодн , (5.11)

где N - число ЭД;

К_одн - коэффициент одновременности работы двигателей (1-1; 2-0,7; 3-0,65);

К_загрi - коэффициент загрузки трансформатора, зависящий от скорости i-гo ЭД;

-максимальное напряжение на якоре ЭД, соответствующее допустимому

значению максимальной скорости вращения двигателя:

=cω_max+I_нR_я, (5.12)

где c-конструктивная постоянная ЭД;

ω_max-допустимая максимальная скорость вращения ЭД;

I_н-номинальный ток i-го двинателя;

R_я-сопротивление якорной цепи;

Так как на исходной скоростной диаграмме ЭП отсутствуют участки, где двигатель работает с пониженной скоростью при позиционировании, то

К_загр1=1.

Максимальное напряжение на якоре ЭД найдем на основании данных раздела 3:

=cω_max+I_нR_я; (5.13)

=0,4*314,16+5,3*2,2=137,32(В).

Для номинального тока привода 16 А Pу=60 В А. Тогда для N=1 по формуле (5.11) имеем:

P_тр=1,05*1*1*137,32*5,3+1*60=824,19(В А).

По таблице из технического описания [11] выбираем согласующий трансформатор ТСМ-764 мощностью 1,0 кВ А с фазным напряжением 64,1 В (27,8 В- на третьей; 127 В - на четвертой) и выпрямленным 150 В на вторичной обмотке. Габариты трансформатора 224x219x114 мм, масса 15,35 кг.

Номинальный режим работы сервопривода — продолжительный (S1) при скорости не менее 0,1 об/мин. Допускается работа в кратковременном (S2) и повторно-кратковременном режимах (S3) при следующих условиях.

а) максимальная кратность перегрузки по току не более 2,5 в течении 5

с;

б) среднеквадратичный ток за время цикла не превышает номинальный.

ЭШИМ1 в режиме регулирования скорости обеспечивает технические характеристики в соответствии с таблицей 5.1. При этом крутизна характери­стик ТГ должна быть не менее 0,02 пульсации напряжения не более 2% (на входном фильтре обратной связи привода) и ∆ реверса должна быть ме­нее, указанной в таблице. Параметры регулирования скорости обеспечиваются при неизменных значениях задающего напряжения и его пульсациях не более 2 % от установленного значения.

Таблица 5.1-Регулирование скорости ЭШИМ1

Скорость двигателя	Погрешность скорости ∆, %, не более			Коэффициент неравномерности вращения, не более
	суммарная	при изменении нагрузки	при реверсе
nmax	1.5	0.1	0.5	0.05
0.1 nmax	2.5	1	1	0.1
0.01 nmax	5	2	2	0.1
0.001 nmax	15	5	5	0.15
0.0001 nmax	25	10	10	0.25

Как видно, встроенный в выбранный ЭД (см. подраздел 3.1) тахогенератор ТП80-20-0,2 полностью подходит для ЭШИМ1 и сервопривод считаем уже собранным.

Третий контур замкнутой системы привода содержит датчик положения и регулятор положения. Для измерений угловых перемещений передней руки манипулятора выбираем абсолютный датчик углового положения ЛИР-ДА136А исполнения 3 [12]. Он удовлетворяет данной по заданию допускаемой неточно­сти позиционирования ∆ . Технические данные датчика ЛИР-ДА136А при­ведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Механические и электрические характеристики ЛИР-

ДА136А

Параметр	Значение
1	2
максимальная разрешающая способ­ность	12
тип выходного кода	код Грея, двоичный код
максимальная скорость вращения вала без сбоя выходного кода, об/мин	1500
способ выдачи данных	парал­ лельный	парал­ лельно- байтовый	последо­ватель­ный SSI
напряжение питания, В	+5	+5	+5
вид выходного сигнала	ТР (стан­дартный TTL)	ТР, ОС (от­крытый коллектор), ОЕ (откры­тый ЭММИ- тер)	RS (стан­дарт RS- 485)
ток потребления, <мА.	150	150	150
соединитель при исполнениях 3, 4	С (DB- 15М)	С	А (РС10ТВ), В (DB- 9М)
точность	±150”
максимальная скорость вращения вала, об/мин	10000

РП в данном проекте однозначно не выбирается. Считаем, что РП вхо­дит в состав некоторого устройства числового программного управления (УЧ­ЕТУ), имеющего также микропроцессорную систему управления (МСУ), а также различного типа преобразователи - аналого-цифровые (АЦП), цифро­аналоговые (ЦАП). Реализуют УЧПУ на аналоговых или цифровых элементах.

Структурно-функциональная схема ЭП на основе сервопривода ЭШИМ1-300000207УХЛ4 приведена на листе формата А1, прилагаемом к про­екту.

Электропривод производит преобразование трехфазного напряжения питающей сети в напряжение постоянного тока, подаваемое на якорь двигателя, и регулирование его в функции задания с целью поддержания требуемых ре­жимов работы двигателя.

Питание силовой части электропривода осуществляется от второй об­мотки (зажимы al, b1, cl), системы управления — от третьей обмотки (зажимы a2, b2, с2), а вентиляторов блоков регулирования и питания от четвертой об­мотки (аЗ, bЗ, сЗ) согласующего трансформатора Т.

Первая обмотка трансформатора Т подключается к питающей сети через автоматический выключатель QF.

После включения автоматического выключателя QF подается напряже­ние на схему управления БП и на двигатели вентиляторов. При этом включает­ся магнитный пускатель К1 и своими нормально разомкнутыми контактами подключает к трансформатору силовую часть БП. На выходах блока питания 60

появляется напряжение питания БР: постоянное - для питания силовых схем и переменное стабилизированное - для питания систем управления.

Если в блок питания поступает сигнал разрешения работы БП из БР, а также сам блок питания готов к работе, магнитный пускатель К1 остается во включенном состоянии. В противном случае пускатель К1 через небольшую выдержку времени после подачи питания отключится и замыкающими контак­тами К1 отключит силовую часть ЭП, а размыкающим контактом приставки К2 подключит в БП цепь динамического торможения двигателей и замыкающим контактом снимет сигнал "Отсутствие аварии привода'*.

При этом питание цепей управления остается, что позволяет произвести диагностику неисправности блоков регулирования и питания.

Для информации о состоянии ЭП из БР поступают сигналы "Готовность к работе" в виде так называемого сухого контакта. Таким же способом органи­зованы сигналы в БР "Отключение тормоза".

Блок питания типа БС9802 с номинальным током 16 и 40 А обеспечива­ет работу от 1 до 3 БР. В состав БП входят:

• выпрямитель силовой цепи VI, V3, V5;

• сглаживающий фильтр силового напряжения С2-С7;

• разрядник для ограничения перенапряжений в силовой цепи, возни­кающих при торможении двигателя или со стороны питающей сети, состоящий из резисторов R27, R29, R31, R32, R35, R36 и силового транзисторного ключа ТК (VI7, VI9, V21, V27, V29), управляемого нуль-органами HO1 и Н02 через транзистор VI6;

• разрядник для обеспечения аварийного динамического торможения двигателей, состоящий из логических элементов ЛЭ4, ЛЭ5, выдержки времени τ₃ (R16, R18, С12), резистора R39, катушки индуктивности L2 и оптронного модуля V32, включаемый при отключении внешнего контактора К1 контактами контактной приставки К2;

-устройство защитного отключения при авариях в блоках регулирова­ния и питания, выполненное на микросхемах D2.3, D2.4, выдержках времени τ₁, τ₂, нуль-органе НОЗ, логических элементах ЛЭ1-ЛЭЗ и реле К1, которое осуществляет управление внешним контактором К1;

- источник питания цепей управления, преобразующий нестабильное пе­ременное напряжение третьей обмотки силового трансформатора в стабилизи­рованное переменное напряжение прямоугольной формы 24 В, 5 кГц; он состо­ит из выпрямителя с фильтром (V33, С13), импульсного стабилизатора (V51, V52, LI, С23, С24, F1) со схемой управления и защиты (PH, PT, V47, V49, V50, Н05, т₄) и высокочастотного генератора (V57, V58, V59, V60, V61, V62, V64, V65).

Импульсный стабилизатор источника питания цепей управления обес­печивает стабилизированное постоянное напряжение 48 В на конденсаторах С23, С24. Регулировка этого напряжения осуществляется резистором R41. Сис­тема управления стабилизатора двухконтурная с ПИ-регулятором напряжения PH (Dl.l, R43, С18, R41) и безынерционным релейным регулятором тока РТ (D1.2, R48-R52). Кроме этого, система управления стабилизатора содержит время-токовую защиту, состоящую из инерционного звена τ₄ (R44, С16) и

нуль-органа Н05 (V43, V44, V45, R46), которая обеспечивает блокировку включения транзистора V51 при длительных перегрузках стабилизатора. Пре­дусмотрена возможность возврата стабилизатора в рабочее состояние кратко­временным закорачиванием выводов "Сброс защиты ИП".

Высокочастотный генератор преобразует выходное напряжение им­пульсного стабилизатора в переменное напряжение прямоугольной формы. Схема содержит задающий генератор Г (А2, R64, R66, R67, С21), блокирую­щую цепь (R74, С22, V57-V59), для устранения режима "Сквозных токов" и силовой выходной каскад V60, V61, V62, V64, V65.

При аварии в БП и некоторых авариях в БР возникает необходимость отключения силовой части ЭП от силового трансформатора и быстрого тормо­жения двигателя. Такое отключение осуществляется внешним контактором К1 при отключении реле К1 в БП по команде с микросхемы ЛЭ2, на которой происходит логическое умножение сигналов об исправности блоков питания и регулирования, которые в нормальных рабочих условиях соответствуют логиче­ской единице.

Одновременно с отключением К1 замыкающий контакт К2 сообщает внешним устройствам (например, ЧПУ) об аварии в схеме привода, а размыкающий - включает "Аварийное торможение". При этом через логические элементы D3.4 и D1.1 включается оптронная пара V32.2, а затем, с выдержкой времени τ₃ (R16, R18, С12), через D1.2 оптронная пара V32.1. Выдержка времени τ₃ обеспечивает исключение броска тока, вызываемого разрядом конденсаторов С2-С7.

Необходимость отключения внешнего контактора К1 возникает при следующих авариях в БП неправильная работа транзисторного ключа разрядника или его перегрев, большие перенапряжения — сравнительно большой дли­тельности, снижение силового питающего напряжения, снижение напряжения источника питания цепей управления.

При снижении напряжения питания ниже уровня удержания реле К1 также происходит отключение силовой схемы ЭП.

Если защитные устройства возвращаются в рабочее положение за время, меньшее времени отключения реле К1, то отключение привода не происходит.

После срабатывания защиты и отключения внешнего контактора К1 ЭП возвращается в рабочее состояние переключением автоматического выключа­теля QF.

Блок регулирования БС3001 является основным элементом ЭП, осуще­ствляющим широтно-имлульсную модуляцию напряжения, подводимого к яко­рю двигателя. БР обеспечивает работу одной координаты механизма в замкну­той по скорости системе регулирования. В состав БР входят;

• транзисторные ключи ТК1-ТК4 с блоками управления ключом БУК1-

БУК4;

• обратный диодный мост V28.1-V28.4;

• блок управления, в котором собрана система регулирования.

Система регулирования двухконтурная с ПИ-регулятором скорости PC и релейным регулятором тока.

Регулятор скорости выполнен с перестраиваемой в функции скорости коррекцией. Необходимость этого обуславливается наличием пульсаций в на­пряжении ТГ при повышенных скоростях.

При достижении скорости двигателя примерно 0,25n_max контакт реле К4 размыкается, что вызывает увеличение коэффициента усиления пропорцио­нальной части PC примерно в 3 раза. Для уменьшения уровня помех в сигналах задания и обратной связи по скорости, поступающих на входы PC, в их цепь включены буферные дифференциальные усилители А1 и А2, на выходах кото­рых формируются нормированные сигналы задания скорости и обратной связи по скорости. При максимальной скорости эти сигналы устанавливаются при­мерно равными 10 В.

Релейный регулятор тока, выполненный на нуль-органах Н01-Н03, че­рез оптронные гальванические развязки в блоках управления ключами БУК1— БУК4 управляет силовыми транзисторными ключами ТК1-ТК4, создающими следующие режимы работы:

• режим «2» («Р2») - включены ключи ТК1 и ТК4 или ТК2 и ТКЗ в за­висимости от полярности задания тока;

• режим «1» («Р1») — включен один из ключей ТК1 или ТКЗ, ток двига­теля течет через открытый ключ и один из диодов обратного моста;

• режим «0» («Р0») - выключены все транзисторные ключи, ток двигате­ля течет через диоды обратного моста в источник постоянного напряжения (за­ряжается С14).

Режимы работы выбираются нуль-органами Н01-Н03. Нуль-орган Н04, на вход которого подается сигнал задания тока, задает направление тока якоря двигателя.

Регулятор тока работает следующим образом. На входы Н01-Н03 по­ступает разность сигналов заданного значения тока i₃ и истинного значения то­ка якоря i_d, снимаемого с безынерционного датчика тока ДТ. Кроме того, на входы Н02 и НОЗ подаются соответственно положительное и отрицательное смещения, определяющие пороги этих нуль-органов и, соответственно, ниж­нюю i₃-∆I и верхнюю i₃+∆i границы возможных значений истинного тока. Нуль-органы включают и отключают ключи ТК1-ТК4 безусловно или через выдержку времени τ₁, в соответствии с выше приведенными режимами. Вы­держки τ₁, позволяют ограничить частоту коммутации ключей, которая не мо­жет быть больше, чем f_гр= , и гарантируют разряд защитного конденсатора, включенного параллельно ключам. Величина τ₁, выбирается в пределах (0,5-1,0) мс из условия допустимых коммутационных потерь.

Выдержка времени τ₀ необходима для гарантированного размагничива­ния дросселей L1.1-L1.4.

Датчик тока выполнен на тороидальных трансформаторах Т2, ТЗ, опера­ционных усилителях А10.1 и А10.2 (на прилагаемой схеме не указаны) с усили­телями мощности на транзисторах V39-V42 и V46, V47 (также не указаны). Трансформатор Т2 и усилитель А10.1 образуют измерительный высокочастот­ный автогенератор. Его выходной сигнал (среднее значение тока вторичной обмотки трансформатора Т2), пропорциональный току двигателя, через вто­ричную обмотку трансформатора ТЗ, выполняющего роль безынерционного (для полезного сигнала) фильтра, поступает на вход усилителя А10.2, с помо­щью которого преобразуется в постоянное выходное напряжение ДТ).

Пример отработки системой регулирования гармонического сигнала за­дания тока приведен на рисунке 5.4 [11].

Выпрямитель В1 преобразует реверсивный выходной сигнал усилителя А2 в однополярный. Нуль-орган Н05 в функции этого сигнала с помощью реле К4 осуществляет переключение коррекции PC. Нуль-орган НО6 переключается при скорости, близкой к нулевой, и, совместно с сигналом "Разрешение рабо­ты", управляет работой реле К2 и КЗ.

Рисунок 5.4 - Работа системы регулирования тока: а) отработка гармо­нического сигнала задания тока; б) напряжение, прикладываемое к двигателю

В БР предусмотрены две группы защит: аварийная и технологическая.

В состав аварийной входят:

• максимально-токовая защита;

• защита то несоответствия скорости двигателя заданию (ЗН);

• защита от понижения стабилизированного напряжения +15 В (ЗПН);

Максимально-токовая защита собрана в каждом из четырех БУК и рабо­тает по принципу контроля тока, протекающего по дросселям L1.1-L1.4. Ин­формация о срабатывании максимально-токовой защиты поступает в блок управления.

При срабатывании любой из аварийных защит снимаются сигналы управления с транзисторных ключей, размыкаются контакты реле К5 "Готов­ность к работе” и К6 "Аварийная защита БР", ЭП переходит в режим динамиче­ского торможения.

В состав технологической защиты входят:

• времятоковая защита двигателя (ТВЗ);

• тепловая защита БП, БР и двигателя (ТЗ).

При срабатывании технологических защит снимаются сигналы управле­ния с транзисторных ключей и размыкается контакт реле К5 "Готовность к ра­боте".

Приведение ЭП в рабочее положение осуществляется кнопками сброса защит, которые в комплект ЭП не входят, или переключением автоматического выключателя QF, т. е. отключением и повторным включением напряжения пи­тающей сети.