8.6.2. Типовые структуры следящих электроприводов
Прежде всего отметим, что следящие электроприводы отечественной промышленностью комплектно не выпускаются. Они изготавливаются индивидуально исходя из требований к точности слежения на основе применения быстродействующих реверсивных тиристорных или транзисторных электроприводов постоянного тока типов ЭШИМ, ЭПУ и др. с высокомоментными двигателями серий ПБВ, ДПМ, ДК-1 или иных с высокими динамическими характеристиками, а также на основе электроприводов переменного тока типа “Размер-2М” с двигателями серии 4А. Питание элементов системы управления осуществляют от промышленной сети с частотой 50 Гц или от индивидуальных источников постоянного тока. Маломощные следящие электроприводы, а также измерительные и преобразующие устройства питают преимущественно от источников с частотой 400 Гц или выше.
Техническая структура и точность следящего электропривода определяются, прежде всего, типом применяемого датчика положения. В качестве датчиков положения следящих САУ применяются:
многооборотные прецезионные потенциометры с линейной характеристикой (точность отработки рассогласований – 0,2%…0,6%);
сельсины (точность отработки рассогласований – 0,2…1);
синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (точность отработки рассогласований – десятые доли…единицы угловых минут);
круговые индуктосины (точность отработки рассогласований – единицы…десятки угловых секунд);
линейные индуктосины (точность отработки рассогласований – единицы…десятки микрон);
цифровые и импульсные датчики положения (точность отработки рассогласований – до 0,001%).
Заметим, что точность следящей САУ не может быть выше точности применяемого датчика.
Н
аиболее
широкое распространение в САУ, в частности
в следящих САУ металлорежущих станков
(МС) и промышленных роботов (ПР), нашли
фазовые датчики перемещений индукционного
типа – сельсины, СКВТ, индуктосины. На
рис. 8.23. приведена функциональная схема
следящего электропривода с СКВТ,
работающего в режиме фазовращателя.
Рис. 8.23. Функциональная схема следящего привода с СКВТ
СКВТ представляет собой индукционную микромашину, напоминающую двухфазную асинхронную машину с фазным ротором. На статоре расположены 2 обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 и питающиеся синусоидальными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 90. Благодаря этому образуется круговое, вращающееся со скоростью , магнитное поле. При этом в роторных обмотках индуцируется ЭДС, имеющая такую же частоту, но сдвинутая по фазе относительно опорного напряжения на угол , определяемый углом поворота ротора СКВТ. Ротор СКВТ кинематически связан с перемещаемым (вращаемым) узлом МС, ПР или иной установки (см. пунктирную линию на рис. 8.23).
Задающее устройство представляет собой фазовый преобразователь ФП, на который подаются два сигнала: синусоидальное напряжение
Um sin( t) от генератора синусоидального напряжения ГСН и цифровой код, пропорциональный заданному угловому перемещению з рабочего органа, от устройства числового программного управления УЧПУ. ФП осуществляет сдвиг по фазе синусоидального сигнала на угол з. Фазовый дискриминатор ФД осуществляет сравнение сигнала задания с сигналом обратной связи, поступающий с роторной обмотки СКВТ, и формирует напряжение, пропорциональное ошибке слежения U.
Устройство управления УУ следящим приводом обеспечивает формирование оптимального сигнала управления Uу электромеханическим приводом (силовым модулем, состоящим из силового преобразователя энергии СПЭ и электродвигателя). Оно включает в себя регуляторы положения, скорости и тока двигателя, корректирующие звенья, обеспечивающие формирование первой и, в общем случае, второй производных от задающего и возмущающего воздействий (см. предыдущий раздел).
В зависимости от избранной системы питания роторных и статорных обмоток СКВТ различают 4 режима его работы. Как уже отмечалось, в рассмотренном примере СКВТ работает в режиме фазовращателя, который часто называют фазовым индикаторным. СКВТ может функционировать также в амплитудном индикаторном, фазовом и амплитудном разностных режимах. Измерительная часть следящего привода при использовании этих режимов работы СКВТ имеет иной состав преобразовательных модулей, но не имеет каких-либо преимуществ по сравнению с рассмотренной выше /10/.
Следует отметить, что СКВТ с одной парой полюсов (Zp=1) имеют сравнительно невысокую точность (менее 1). Значительно более высокую точность имеют многополюсные СКВТ, у которых цена оборота фазы равна 360/Zp). Среди отечественных многополюсных СКВТ можно отметить датчики типов БСКТ-1065 (Zp =5), СКТД-6465 (Zp =32). Точность измерения датчиков СКТД-6465 достигает 0,1…0,5 в зависимости от класса точности. Некоторые высокомоментные электродвигатели поставляются со встроенными многополюсными СКВТ (например, электродвигатель ДК-1 имеет СКВТ с Zp =10).
Существенное повышение точности следящей САУ можно достичь, если измерение положения осуществлять в дискретной форме. В таких системах не только задание, но и контроль отработки, и выработка сигнала управления положением производится в цифровой или импульсной форме. Функциональная схема следящей САУ с импульсным датчиком положения приведена на рис. 8.24.
Рис. 8.24. Функциональная схема следящей САУ с импульсным
датчиком положения
Обозначения на схеме:
УЧПУ – устройство числового программного управления;
РИ – распределитель импульсов;
РСч – реверсивный счетчик импульсов (двоичный или двоично-десятичный);
РП – регулятор положения;
ПКН – преобразователь “код-напряжение”;
ПЧН – преобразователь “частота-напряжение”;
КУ – корректирующее устройство;
КРС – разомкнутый контур регулирования скорости;
РО – рабочий орган;
ЧИД – частотно-импульсный датчик.
Задание положения осуществляется устройством числового программного управления УЧПУ типа NC в дискретной форме, т.е. приращение перемещения за некоторый промежуток времени задается числом импульсов, соответствующих этому перемещению (см. сигнал fзп на рис. 8.24). По сути дела задающее воздействие определяет заданную кадром программы скорость электропривода на данном отрезке времени. В качестве датчика положения применен частотно-импульсный датчик ЧИД, выходная частота которого пропорциональна скорости электродвигателя.
Распределитель импульсов РИ осуществляет исключение полностью совпадающих импульсов по каналам задания и обратной связи. Реверсивный счетчик импульсов РСч формирует код ошибки отработки перемещения N, а цифровой регулятор положения РП формирует код задания скорости Nзс следящего электропривода (например, пропорционально N ).
На входе КРС суммируются 3 сигнала: напряжение задания скорости Uзс, напряжение частотно-импульсного датчика скорости Uдс (отрицательная обратная связь) и напряжение корректирующего устройства Uку (положительная компенсирующая связь), обеспечивающее форсирование отработки изменения задающего воздействия следящей САУ. При ПД-структуре КУ на его выходе формируются компенсирующие воздействия по первой и второй производной задающего воздействия, что позволяет обеспечить астатизм второго порядка по этому воздействию.
Несомненным достоинством приведенной структуры следящей САУ с импульсным датчиком скорости является применение единого частотно-импульсного датчика в каналах регулирования скорости и положения. Современные ЧИД имеют высокое разрешение благодаря растровой технологии изготовления модуляционных дисков. Разрешающая способность некоторых датчиков достигает 10000 импульсов на оборот при диаметре модуляционного диска не более 50 мм, например типа icr. Из отечественных ЧИД применяются датчики моделей ПДФ, ВЕ-815, СИФ-3 и др., обеспечивающие разрешающую способность до 5000 импульсов на оборот.