28.4. Динамические регуляторы

Наилучшими техническими характеристиками среди линейных ре­гуляторов обладают ПИД-регуляторы. Однако и им присущи недостатки. При резком изменении параметров системы они зачастую теряют рабо­тоспособность. Они не обладают требуемым стабилизирующим эффек­том, вследствие чего динамическая ошибка имеет незатухающий колеба­тельный характер и заданная точность контурного управления не дости­гается. Это поставило задачу разработки более совершенных систем программного управления, свободных от недостатков локальных серво-регуляторов, Эти системы должны учитывать в явном виде (в структуре регулятора) динамику исполнительной системы. Отличительной чертой таких регуляторов является то, что при выборе структуры регулятора ис­пользуются полные уравнения динамики. В результате структура регуля­тора оказывается вполне адекватной структуре динамической модели объекта управления. Схема электромеханической системы с динамическим регулятором пред­ставлена на рис. 28.19.

На рисунке: РКУ - блок расчета коэффициентов усиления, ШИП - широтно-импульсный преобразователь, УМ - усилитель мощ­ности, ДПТ - двигатель постоянного тока, МР - механический редук­тор, ОУ - объект управления, ДП - датчик положения.

Уравнение динамического регулятора имеет вид

где: , - заданные матрица функция размерности и вектор фун­кция размерности , определяемые особенностями ЭМС, - вектор параметров ЭМС размерности ; , - коэффициенты усиления, причем, из условия устойчивости необходимо соблюдать следующие неравенства

Выбирая параметры усилителей из условия (28.19) можно обес­печить не только асимптотическую устойчивость системы в целом и желаемое качество управления, но и любой желаемый запас устойчи­вости. Последнее важно с точки зрения придания динамическому ре­гулятору свойства нечувствительности (инвариантности) по отноше­нию к действию параметрических возмущений.

Микропроцессор выполняет функции программатора, вычисляя задающие сигналы; дифференциатора, вычисляя по сигналу обратной связи его первую и вторую производные; расчета коэффициентов уси­ления , ; цифрового регулятора, вырабатывая управляющий сиг­нал .

Динамические регуляторы особенно удобны для создания адап­тивных регуляторов. В этом случае к системе управления (рис. 28.19) добавляются адаптатор и эстиматор, выполняемые программно. Это управление уменьшает влияние на процесс слежения переменности момента инерции.

Вентильные электроприводы

11 1. Вентильные электродвигатели систем автоматического регулирования

До начала 80-х годов основным приводом, использующимся в промышленных роботах и в станках с ЧПУ, был электропривод по­стоянного тока. Однако, электродвигатели постоянного тока имеют ряд недостатков, связанных с наличием коллекторно-щеточного уз­ла. Среди них - малый срок службы, например, у двигателей серий ДПР и ДПМ он составляет порядка 3000 час. Решить проблему су­щественного повышения ресурса двигателей постоянного тока воз­можно только заменой щеточно-коллекторного узла полупроводни­ковым коммутатором, выполняющим его функции. Сейчас во всем мире наблюдается тенденция перехода на такие бесконтактные электродвигатели, получившие название вентильных двигателей (конструктивно аналогичных электродвигателям синхронного типа). Вентильные электродвигатели находят применение для промышлен­ных роботов, для привода подач станков с ЧПУ. Вентильные элек­тродвигатели типа ДБ120-8 используются в составе мотор-колес транспортных роботов, а ВД типа ДБ60-10-4 предназначен для при­вода навигационной системы автономного робота.

Первые вентильные электродвигатели выполнялись с боль­шим числом секций замкнутой обмотки якоря, расположенной на статоре, и полупроводниковым коммутатором (коллектором) /88/. В последующем перешли к 2-м, 3-м, и многофазным (4-16 фаз) обмот­кам, соединенным в звезду /35/. Ротор электродвигателя выполнен с постоянными магнитами. В настоящее время наиболее распростра­нены бесконтактные моментные электроприводы с электродвигате­лями типа ДБМ, электроприводы типа ЭПБ-1, ЭПБ-2 с электродви­гателями типа ДВУ, электроприводы типа ПРБ-1 и ПРБ-2 с электро­двигателями типа ДСТ. Среди зарубежных фирм, выпускающих вен­тильные электродвигатели, следует отметить Siemens (Германия), Fanuc (Япония), Poletti (Италия),

Отличительной конструктивной особенностью вентильных электродвигателей является наличие датчика положения ротора на валу машины, по сигналам которого происходит переключение фаз обмотки якоря с помощью полупроводникового преобразователя типа инвертора. Датчик положения служит для определения относи­тельного положения осей полюса (магнита) ротора и статорных об­моток электродвигателя.

При замене механического коммутатора (коллектора со щет­ками) полупроводниковым коммутатором электродвигатель стано­вится более надежным и долговечным, создает меньше радиопомех, в то время как у двигателя постоянного тока щетки быстро изнаши­ваются и имеет место значительное искрение и радиопомехи.

Датчик положения ротора может быть выполнен трансформа­торного типа

/32, 46,79/, на базе датчиков Холла /35,82/, магниторезисторов и управляемых дросселей насыщения /35/, фотоэлектрического типа /82, 102/, могут быть использованы индукционные машины: микро-сины, индуктосины, редуктосины, вращающиеся трансформаторы /102/.

Вентильные электродвигатели являются одними из самых перспективных для приводов роботов. Имея характеристики, анало­гичные характеристикам двигателей постоянного тока, вентильные двигатели являются бесконтактными. Существуют следующие схе­мы соединения многокатушечных обмоток статора вентильных электродвигателей:

- замкнутые с параллельным подключением катушек к источ­нику питания по типу обмоток машин постоянного тока:

- с последовательным подключением катушек к источнику;

- с лучевым соединением катушек.

Сравнительный анализ вентильных двигателей с различными схемами соединения

обмоток показывает:

- наибольший КПД, наименьшую массу, наилучшее использо­вание активных

материалов, наименьшие пульсации момента вращения и соответственно угловой

частоты вращения обес­печивают замкнутые обмотки;

- наиболее просты по устройству коммутаторы в двигателях с лучевым соединением

фаз. При этом, пропорционально числу фаз увеличивается число чувствительных

элементов датчика положения и число транзисторов в коммутаторе. На практике

наиболее распространены двигатели с тремя катушками (фа­зами).

Некоторые сведения о бесконтактных вентильных электро­двигателях представлены в табл. 15.3. Единой теории вентильных электродвигателей нет. Так, анализ вентильных двигателей малой мощности проводится с использованием методов исследования коллекторных машин постоянного тока (работы И.Е.Овчинникова, Н.И.Лебедева, И.А.Вевюрко, Ш.И.Лутидзе) /48/. В работах Л.А.Афанасьева, А.К.Аракеляна, А.Л.Дубенского вентильные двига­тели рассматриваются с позиций синхронных машин с использова­нием уравнений Парка - Горева /49/. В /88/ разработаны теоретиче­ские основы обобщенного вентильного двигателя. На основе уравне­ний обобщенного ВД можно получить математическое описание любого из известных типов ВД.