3.3. Применение отрицательной обратной связи по скорости вращения двигателя

Рассмотрим электропривод, выполненный по схеме управляемый преобразователь  двигатель с отрицательной обратной связью по скорости (рис. 3.4). На схеме изображено два контура регулирования:

а) контур 1 саморегулирования ЭДС двигателя, образованный звеньями Д, ЯЦ и местной обратной связью по ЭДС двигателя. Работа этого контура, учитывающего статические и динамические свойства электропривода в разомкнутой системе регулирования, рассмотрена нами ранее;

б) внешний контур 2 регулирования скорости, полученный охватом преобразователя и двигателя звеном ОС  внешней обратной связью по скорости.

После введения этой обратной связи процессы в электроприводе протекают иначе, чем в разомкнутой системе. Приложение М_С вызывает увеличение I_Я и восстановление скорости n не только за счет снижения Е_Д (работа контура 1 саморегулирования ЭДС двигателя), но и за счет увеличения Е_П (работа внешнего контура регулирования скорости 2). Действительно, снижение скорости вращения двигателя n вследствие приложения момента статической нагрузки М_С приводит к уменьшению сигнала U_ОС, а это вызывает увеличение разницы U_З  U_ОС, подъем Е_П и восстановление скорости n.

Здесь и далее анализ влияния любой корректирующейся связи на качество процессов поддержания скорости будем выполнять по одному алгоритму: сначала выделяем исследуемую корректирующую связь на структурной схеме, затем фиксируем внимание на изменениях в ЛАЧХ электропривода, вызванных этой корректирующей связью и, наконец, используя общеизвестные соотношения между формой частотной характеристики и характером процесса, даем оценку показателей процесса.

На структурной схеме (рис. 3.5 а) введение внешней обратной связи по скорости удобно показать звеньями ОС и П (показаны жирно), включенными параллельно единичной обратной связи по ЭДС двигателя перед звеном ЯЦ. Это приводит к увеличению коэффициента усиления отрицательной обратной связи по скорости, охватывающей звено Д и, следовательно, к снижению ошибки по скорости (по крайней мере, в полосе пропускания частот канала ОС – П).

ЛАЧХ электропривода с отрицательной обратной связью по скорости описывается кривой L₄. Влияние канала внешней обратной связи по скорости по сравнению с разомкнутой системой регулирования (описывается кривой L₂) показано заштрихованной полосой. Видно, что ослабление возмущения М_С происходит только в полосе частот   _С, где _С  частота сопряжения каналов обратных связей по ЭДС двигателя и внешней по скорости.

Статическую погрешность можно определить из соотношения (при К_ОС  1):

n_C  I_C / К_ОСК_ЯЦ .

В переходном процессе, если влияние хотя бы одной из инерционностей  преобразователя П или якорной цепи ЯЦ  существенно (т.е. выполняется хотя бы одно из неравенств 1/T_П  _С или 1/T_ЯЦ  _С ), то наблюдается динамическое падение скорости вращения двигателя n_Д n_C. Это объясняется запаздыванием действия сигнала обратной связи по скорости, когда увеличение I_Я из-за подъема Е_П не успевает за приложенным М_С.

Величину n_Д можно приближенно оценить по величине максимума характеристики L₄. При этом в одноконтурной системе регулирования скорости снижениеn_Д за счет увеличения К_ОС происходит, когда обеспечивается _С  _Э. Тогда можно приближенно считать

n_Д  n_ЕСТ _Э _С ,

где n_ЕСТ  динамическое падение скорости в системе преобразователь  двигатель без внешних обратных связей.

При _С  _Э, действие внешней обратной связи по скорости ОС, входящей в контур регулирования 2, может настолько запаздывать, что влиянием этой связи на величину n_Д можно пренебречь. Тогда величина n_Д будет такой же, как у двигателя, подключенного к преобразователю П в схеме без обратных связей. И на кривой L₄ максимум будет таким же, как на характеристике разомкнутой системы электропривода (кривая L₂ на рис. 3.3).

В реальных условиях частоту среза _С часто снижают до значений, даже меньших, чем этого позволяют условия устойчивости контура, из-за неблагоприятного влияния оборотных пульсаций напряжения тахогенераторов. Суть этого явления поясняется кинематической схемой (рис. 3.6) часто применяемого случая соединения валов двигателя (или рабочего механизма) и та хогенератора через однопальцевую муфту. Допустим, что движение от двигателя к тахогенератору передается с помощью пальца А, расположенного на расстоянии R от оси вращения двигателя О₁  О₁. Полумуфта тахогенератора, принимающего движение, условно показана вилкой, входящей в зацепление с пальцем А и установленной на оси тахогенератора О₂  О₂ . Обе оси идеально точно при монтаже совместить не удается, поэтому остается несоосность (радиальная и (или) осевая). Наличие радиальной несоосности величины  приводит к тому, что в соответствии с рисунком расстояние от пальца А до оси вращения тахогенератора изменяется от R +  до R  . При постоянной величине окружной скорости движения пальца А вал тахогенератора вращается неравномерно из-за переменного радиуса вращения вилки. В результате появляется погрешность, имеющая частоту вращения («оборотная погрешность») и амплитуду  / R. Как показывает анализ возможных допусков при сборке деталей и практика монтажа, величины несоосностей невелики: доли миллиметра при радиальной и единицы градусов при угловой несоосности. Однако поданные на вход высокоточной, а следовательно, с высоким коэффициентом усиления системы регулирования эти сигналы приводят к большим вынужденным колебаниям тока якоря при постоянных величинах момента статической нагрузки и скорости вращения привода.

Например, предположим, что в простейшей одноконтурной системе регулирования скорости с пропорциональным регулятором скорости коэффициент усиления разомкнутой системы равен 100. Тогда при полной скорости вращения электропривода, принимаемой за 100%, сигнал ошибки регулирования по скорости (разность между сигналами задающим и с выхода датчика отрицательной обратной связи по скорости), подаваемый на вход регулятора скорости, составляет 1%. И этой величины достаточно, чтобы изменить напряжение и скорость на 100%. Если при этом оборотные пульсации датчика скорости составят около 3%, то существенно превысят полезный сигнал на входе и вызовут пульсации ЭДС преобразователя и тока якоря очень большой амплитуды.

Так как оборотные пульсации скорости, особенно при глубоком ее регулировании, имеют низкую частоту, то ослабить их влияние применением фильтров не удается. Поэтому в высокоточных электроприводах датчики скорости часто устанавливают на одном валу с якорем двигателя. Возможно также для передачи вращения на вал датчика применение специальных муфт или опор, имеющих высокую податливость в радиальном и осевом направлениях и очень жестких при передаче крутящего момента. Здесь следует указать на муфты, в которых соединительный элемент между полумуфтами выполнен в виде четырехлепестковой пластины из упругого материала. При этом первая пара противоположных лепестков отгибается в одну сторону и крепится к первой полумуфте, а вторая пара  отгибается в другую сторону и крепится ко второй полумуфте. Муфта имеет высокую податливость упругого элемента при радиальной и угловой несоосностях и высокую жесткость при передаче крутящего момента. Кроме того, она отличается очень высокой точностью в передаче движения при наличии радиальных или угловых несоосностей соединяемых валов [10].

Схема с отрицательной обратной связью по скорости применяется в электроприводах с высокой точностью регулирования скорости. К этому же способу обращаются, если необходимо обеспечить глубокий или сверхглубокий (десятки тысяч) диапазон регулирования скорости. Последний случай представляет собой сложную техническую проблему, в которой наиболее трудно бывают решить две задачи: измерение скорости и снижение динамического падения ее, которое при очень малых уставках скорости вызывает периодические остановки электропривода («скачковый» режим работы).

Первую задачу решают, изменяя принцип измерения скорости и отказываясь от датчиков с непосредственным измерением скорости (тахогенераторов), которые при сверхмалых скоростях неработоспособны. Вместо этого при измерении скорости чаще всего пользуются соотношением: S  t, где S  изменение показания датчика положения рабочего органа за время измерения (квантования) t. Здесь переходят к цифровым электроприводам, поскольку основные операции, связанные с обработкой информации в этом случае (квантование по времени, деление пути на время, запоминание результата измерения за время квантования) удобнее выполнять в цифровой форме.

Решение второй задачи достигается применением специальных покрытий трущихся поверхностей, имеющих малые значения момента сухого трения («противоскачковые» покрытия), усложнением опорных узлов вала (например, трехколечные подшипники), изменением кинематической схемы механической передачи (дифференциальный электропривод). Полезно бывает в этих случаях и увеличение момента инерции рабочего механизма.