105

Раздел 2.Замкнутые системы автоматизированного управления электроприводами.

Тема 2.1. Элементы и устройства замкнутых сауэп.

Под термином «элемент» автоматизированного электропри­вода понимается входящее в него устройство выполняющее определенную функцию управления, в соответствии с которой входное воздействие элемента преобразуется в выходное.

АЭП можно представить в виде совокупности силовых и управляющих элементов (рисунок 1). Силовые элементы преобра­зуют, регулируют и приводят к рабочему органу (РО) механизма основной поток энергии, к ним относятся: управляемые преобразова­тели энергии (УПЭ), электродвигатели (М), передаточные меха­низмы (ПМ), рабочие органы машин и механизмов. Управляющие элементы формируют, преобразуют и подводят сигналы управления к силовым элемен­там.

Рисунок 2.1 - Структурная схема автоматизированного электропривода в виде совокупности

силовых и управляющих элементов

Управляющие элементы можно разделить на две группы:

1. элементы систем управления вентилями УПЭ, которые преобразуют сигнал управления с выхода системы автоматиче­ского управления (САУ) в открывающие импульсы;

2. элементы САУ, формирующие задающие и управляющие воздействия и определяющие статические и динамические свой­ства АЭП.

По функциональному признаку элементы второй группы де­лятся на следующие виды:

• регуляторы (Р), которые вычисляют разность сигналов за­дания и обратной связи (рассогласование) и на её основе форми­руют управляющее воздействие, приводящее регулируемую ко­ординату к заданному значению;

• датчики (Д), преобразующие управляемую координату в электрический сигнал, используемый как сигнал обратной связи;

• задающие элементы (ЗЭ), которые формируют задающие воз­действия, определяющие технологическую программу работы АЭП;

• согласующие элементы (СЭ), которые согласуют выходные и входные координаты соединяемых элементов по роду тока, виду и уровню сигналов и т.п.

2.1.1. Элементы и устройства автоматизированного управления ЭП в замкнутых системах: усилители, формирующие и управляющие элементы.

Операционный усилитель (ОУ) является основным элементом аналоговой системы. Он представляет собой усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления (до 10000), охваченный отрицательной обратной связью.

Операционный усилитель осуществляет преобразование входных сигналов U_вхi в соответствии с выражением

(2.1)

где n – число входных сигналов;

z_вхi – в общем случае комплексные активно-емкостные входные

сопротивления ОУ;

z_ос – комплексное сопротивление цепи обратной связи.

В простейшем случае, когда на вход ОУ поступает один сигнал U_вх, а z_ос=R_ос и z_вх1=R₁, преобразование входного сигнала будет иметь вид

(2.2)

т.е. происходит его умножение на коэффициент к=R_ос/R₁ и изменение знака на противоположный. При R_ос=R₁ и к =1 имеет место так называемое инвертирование входного сигнала по знаку.

Если z_ос=R_ос и z_вхi=R_вхi, то ОУ осуществляет суммирование подаваемых на него электрических сигналов с одновременным умножением на соответствующий коэффициент, т.е.

(2.3)

где к_i=R_ос/R_вхi.

При включении на входные цепи и цепи обратных связей наряду с резисторами конденсаторов ОУ могут осуществлять и другие весьма разнообразные преобразования входных сигналов, необходимые для получения требуемых управляющих воздействий в ЭП. Такие схемы получили название регуляторов.

Регулятор выполняет вычисление рассогласования (разность между сигналом задания и сигналом обратной связи) и его пре­образование в управляющее воздействие в соответствии с опре­деленной математической операцией.

В САУ используются в основном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И) и пропорционально-интегральный (ПИ). В зави­симости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы.

Аналоговые регуляторы (АР) реализуют­ся на основе операционных усилителей, цифровые — на основе специализированных вычислительных устройств или микропро­цессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналого­вые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.

Для реализации АР операционный усилитель (ОУ) включает­ся по схеме суммирующего усилителя с отрицательной обратной связью. Тип регулятора и его передаточная функция определя­ются схемой включения резисторов и конденсаторов в цепях на входе и в обратной связи ОУ.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R_ос. Этот регулятор характеризуется коэффициентом пропорциональности к, который может быть равен как больше, так и меньше единицы.

Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С_ос. Этого тип регулятора характеризуется постоянной времени Т.

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R_ос и конденсатора С_ос. Такой регулятор характеризуется следующими параметрами: коэффициентом пропорциональности к и постоянной времени Т.

Для всех типов регуляторов в схеме реализации имеется входное сопротивление R_1.

Схемы реализации регуляторов, зависимость напряжения на выходе регулятораU_вых от входного U_вх и их графическое изображение, а также формулы для нахождения параметров регуляторов приведены в таблице 2.1

2.2.2. Датчики и измерительные устройства. Полупроводниковые преобразователи.

Силовая часть замкнутых ЭП реализуется на основе преобразователей: выпрямителя, инвертора, преобразователя частоты, регулятора напряжения постоянного или переменного тока. В этих преобразователях используются диоды, тиристоры, транзисторы и различные модули на их основе.

В замкнутых ЭП для формирования требуемых статических и динамических характеристик применяются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению, реализуемых с помощью соответствующих датчиков. Рассмотрим некоторые из них.

Датчики напряжения для ЭП с ДПТ выполняются на основе потенциометра, включаемого на зажимы якоря М двигателя (рис.2.1,а).

Уровень сигнала обратной связи по напряжению U_о.н., снимаемого с потенциометра RP и коэффициент обратной связи по напряжению определяются положением движка потенциометра.

Для получения сигнала обратной связи по напряжению в ЭП с двигателями переменного тока используются трансформаторные схемы (рис.2.1,б). Аналогичные схемы применяются в системе УВ-ДПТ, где трансформаторы напряжения подключаются к цепям переменного тока УВ.

Датчики тока (ДТ) предназначены для получе­ния информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

• линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1I_ном до 5I_ном не менее 0,9;

• наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

• высокое быстродействие.

Датчик координат АЭП структурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобра­зователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рисунок 2.2). Изме­рительный преобразователь преобразует координату х в электри­ческий сигнал напряжения и (или тока i), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выход­ного сигнала и ИП в сигнал обратной связи u_ос, который по ве­личине и форме удовлетворяет САУ.

Рисунок 2.2 – Структурная схема датчика координат АЭП

В качестве измерительных преобразователей в ДТ использу­ются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты.

Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротив­лением R_ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам кото­рого подключается силовая цепь, а к потенциальным — измери­тельная. (рисунок 2.3)

Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номи­нальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить с помощью усилителя У. Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальваниче­ской развязки (УГР). В качестве таких устройств применяются транс­форматорные и оптоэлектронные устройства.

Рисунок 2.3 – Схема включения датчика тока на основе шунта

ДТ на основе трансформаторов тока в основном используют­ся в АЭП постоянного тока для измерения тока двигателей при питании их от симметричных мостовых однофазных и трехфаз­ных выпрямителей. Для однофазного выпрямителя (рисунок 2.4) используется один трансфор­матор тока (ТА1), а для трехфазного — три трансформатора, включенных в звезду. Для обеспечения режима работы трансформаторов тока, близкого к режиму короткого за­мыкания, их вторичные обмотки нагружаются низкоомными ре­зисторами R_ТТ (0,2...1,0 Ом). Преобразование переменного напряжения вторичных обмоток осуществляется выпрямителем VD1...VD4 .

Рисунок 2.4 – Схема включения датчика тока на основе трансформатора тока

Датчики ЭДС якоря. При невысоких требованиях к диапазону регу­лирования скорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС. Принцип действия датчика ЭДС якоря основан на вычисле­нии ЭДС двигателя.

Функциональная схема датчика ЭДС представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Функциональная схема датчика ЭДС якоря

Для измерения напряжения якоря используется делитель на резисторах R2, R3 . Для измерения тока якоря двигателя используется дополнительная обмотка L1.2 сглаживающего дросселя. Напряжение и_я через делитель, RС-фильтр и повторитель А1 подается на сумматор А2. На вход сумматора А2 подается также сигнал, пропорциональный падению напряжения на обмотке якоря R_я._ц ∙i_я.

Выражение выходного напряжения u_дэ усилите­ля А2 для установившегося режима работы имеет вид

где к_дэ – коэффициент передачи датчика ЭДС,

е_я – ЭДС якоря.

Для получения сигнала пропорционального напряжению на якоре двигателя резистивный делитель напряжения можно также включить по следующей схеме

Рисунок 2.6 – Схема включения датчика напряжения

Выходное напряжение делителя равно

Датчик напряжения помимо делителя может содержать также устройства гальванической развязки и

усилитель.

Датчики скорости. Сигнал, пропорциональный угловой скорости ротора (или якоря) двигателя, снимается с датчика угловой скорости тахогенератора, который сочленяется с валом двигателя. Зависимость ЭДС тахогенератора от угловой скорости практически линейна Е_тг.

Контроль и измерение скорости могут осуществляться и с помощью тахометрического моста (рис.2.7), напряжение U_ которого пропорциональна скорости двигателя. Плечи моста образованы резисторами R1, R2, обмоткой дополнительных полюсов ОДП двигателя с сопротивлением R_д.п., якорем двигателя с сопротивлением R_я и ЭДС Е= К одной диагонали моста подводится напряжение питания якоря двигателя U_с, с другой диагонали (между точками 1 и 2) снимается напряжение, пропорциональное угловой скорости U_. Если выбрать значения сопротивлений резисторов R1 и R2 так, чтобы соблюдалось условие R₁R_я=R₂R_д.п., мост будет сбалансирован. Тогда напряжение

U_=R₁R₁+R₂)=c

Датчики положения применяются для получения электрического сигнала, пропорционального положению исполнительного органа или вала машины. В таких датчиках используются сельсины, потенциометры и вращающиеся трансформаторы.

Сельсинные датчики положения с выходом на постоянном токе (рис.2.8,а) соединяются с исполнительным органом или валом двигателя, в результате чего их выходное напряжение будет пропорционально положению.

В следящем ЭП применяется сельсинное устройство, выполняющее функции задатчика, датчика положения и измерителя рассогласования (ошибки). Оно включает в себя два сельсина, обмотки роторов которых соединены между собой. При этом обмотка статора одного сельсина (задатчика0 подсоединяется к источнику питания, а со статорной обмотки другого сельсина (датчика0 снимается напряжение, значение и фаза которого определяются углом рассогласования между положением их роторов. Далее этот сигнал подается на фазочувствительный выпрямитель.

Потенциометрические датчики положения выполняются по схемам рис. 2.9, в…д. При соединении движка такого датчика с валом двигателя его выходное напряжение будет пропорционально положению вала.

Датчики положения на основе вращающихся трансформаторов являются электромеханическими устройствами. Как, и в сельсинах, напряжение на их выходах определяется положением подвижной части.

2.2.3. Командные и задающие элементы, используемые в ЭП.

Для введения в СУЭП сигналов, необходимых при получении требуемого регулируемого параметра, служат командные и задающие элементы – задатчики скорости и интенсивности.

Командные устройства реализуются на базе сельсинного командоаппарата типа СКА. Рассмотрим его схему (рис.2.9, а). Однофазная обмотка статора сельсина ОС подключается к сети переменного тока напряжением U_с=110 В частотой 50 Гц. Выходное напряжение переменного тока U_вых снимается с двух фаз обмотки ротора и далее выпрямляется с помощью неуправляемого выпрямителя VD или фазочувствительного выпрямителя ФЧВ. В первом случае выходное напряжение U_вых1 будет иметь постоянную полярность, а во втором случае полярность сигнала U_вых2, будет зависеть от сдвига фаз напряжений статора и ротора. Таким образом, ФЧВ является по существу выпрямителем, полярность сигнала, на выходе которого определяется фазой входного напряжения переменного тока.

При повороте ротора сельсина амплитуда наводимых в его обмотках ЭДС и соответственно выходного напряжения U_вых изменяется от нуля в начальном положении ротора (=0) до максимального значения при =90 (рис.2.9,б) по кривой U_вых1(). Для получения примерно линейной зависимости выходного сигнала командоаппарата в функции угла поворота ротора используется зона .

В схемах управления широко используются и потенциометрические задающие устройства (задатчики) с линейным и вращательным движением ползунка. Схема, приведенная на рис.2.9,в, обеспечивает получение двухполярного сигнала на выходе, а схемы на рис.2.9,г, д – однополярного.

Если ползунки потенциометров перемещать с помощью исполнительных двигателей, то они смогут выполнять функции задатчиков интенсивности.

В УБСР предусмотрен и статический (без применения двигателя) задатчик интенсивности типа ЗИ-2АИ. В этом устройстве, предназначенном для преобразования ступенчатого входного сигнала в линейно изменяющееся во времени выходное напряжение, применяются четыре ОУ, один из которых работает в режиме управляемого ограничения (рис.2.10,а), второй - в режиме интегратора (табл.2.1.), а третий и четвертый - в режиме инвертора.

К задающим элементам относятся устройства ввода задания (задатчики скорости, силы тока и т.д.) и задатчики интенсивно­сти. По виду сигналов задающие элементы делятся на аналого­вые и цифровые.

П ростейшими задающими элементами являются потенциометрические. Для электропривода с малым диапазоном скорости используется один потенциометр (рисунок 2.11,а), с большим — два (рисунок 2.11,б). Потенциометр R1 служит для грубого задания скоро­сти, а R2 — для точного. Для повышения точности задания скоро­сти задающие элементы питаются стабилизированным напряже­нием ±U_ПИТ. Как правило, U_ПИТ = ±10 В.

а) б)

а) потенциометрический задатчик скорости с грубым заданием

б) потенциометрический задатчик скорости с точным заданием

Рисунок 2.11 – Потенциометрические задатчики скорости

Вместо потенциометров со скользящим контактом в электро­приводе большой мощности используются бесконтактные задат­чики скорости. Основой их являются бесконтактные сельсины и вращающиеся трансформаторы, выходное напряжение кото­рых пропорционально углу поворота вала на требуемый угол.

В качестве цифровых задатчиков используются многопози­ционные переключатели. Они представляют собой десятипозиционные (или более) переключатели сегментного типа с бара­банным толкателем.

В качестве бесконтактного цифрового задатчика использует­ся фотоэлектрический преобразователь перемещения, число им­пульсов на выходе которого пропорционально углу поворота вала на требуемый угол.

Задатчики интенсивности.

Устройство данного типа служат для получения необходимого сигнала изменения во времени, задающего сигнала системы управления, в частности задающего сигнала скорости двигателя в процессах разгона и торможения.

В простейшем случае задатчик интенсивности выполняются в виде элементарных R-C цепочек позволяющих плавно увеличивать сигнал Uвых (t) (рисунок 2.12).

а) задатчик интенсивности

б) график изменения выходного сигнала задатчика интенсивности

Рисунок 2.12 – Задатчик интенсивности

При подаче на вход R-C цепочки ступенчатого входного сигнала Uвх, на её выходе Uвых будет изменяться по экспоненте. Изменяя постоянную времени Т (равную T=R∙C) можно получать различный темп изменения выходного сигнала. Более сложные задатчики интенсивности выполняются на базе операционных усилителей.