3.2. Функциональные схемы следящего электропривода с вентильным двигателем

Для управления моментом и скоростью вращения двигателя в электроприводе с вентильным двигателем необходимо наличие замкнутого контура регулирования скорости с регулятором скорости (РС). Для управления положением исполнительного органа производственного механизма необходимо наличие замкнутого контура регулирования положения с регулятором положения (РП). Возможные варианты функциональных схем электропривода управления положением исполнительного органа рабочей машины с вентильным двигателем приведены на рис. 9 и рис. 10. Системы управления положением построены по принципу подчиненного регулирования и содержат контуры регулирования токов, скорости и положения со своими регуляторами. Структура и параметры регуляторов определяются на основании стандартных методик настройки контуров регулирования многоконтурных САУ электроприводов. Такие методики основаны на представлении вентильного двигателя в виде структурной схемы двухфазного двигателя во вращающейся системе координат , , ориентированной по вектору потокосцепления ротора (рис. 8).

(рис. 8)

Рис. 9. Система управления положением с вентильным двигателем и регуляторами токов статора по осям d и q вращающейся системы координат

(рис. 7)

Рис. 10. Система управления положением с вентильным двигателем и регуляторами токов статора в неподвижной системе координат

Путем ограничения выходного сигнала регулятора скорости РС обеспечивается ограничение тока статора и момента двигателя на уровне максимального значения в пуско-тормозных режимах и при больших перегрузках, а ограничением выходного сигнала регулятора положения РП – значение скорости электропривода на допустимом уровне. Полученное с помощью датчика положения ротора ДПР значение угла может быть использовано для замыкания контура положения по углу поворота вала ротора. Если требуется замыкание системы не по положению вала двигателя, а непосредственно по положению исполнительного органа ИО рабочей машины, связанного с двигателем через редуктор Рд, то контур замыкается через отдельный датчик положения ДП, установленный на валу исполнительного органа. Измерение скорости двигателя может осуществляться с помощью датчика положения ротора или датчика положения исполнительного органа механизма.

3.3. Реализация контура положения

Следящий электропривод реализуется на базе регулируемого электропривода путем создания дополнительного внешнего контура регулирования технологического параметра на базе встроенного технологического регулятора привода или с применением специализированного технологического модуля.

На рис. 11 приведена структурная схема контура положения следящего электропривода, для которого в качестве технологической координаты принят угол поворота выходного вала механизма. Для измерения угла поворота применяется импульсный датчик угловых перемещений. Угол поворота выходного вала производственного механизма измеряется в угловых единицах (градус, минута, секунда). Импульсный датчик измеряет положение в дискретах.

Рис. 11. Структурная схема контура положения с инерционной

обратной связью Кос.п

Коэффициент передачи механизма и коэффициент передачи датчика положения , установленного на выходном валу механизма в общем случае с коэффициентом редукции , определяются по выражениям:

– при измерении угла поворота выходного вала в угловых минутах

, ;

– при измерении угла поворота выходного вала в дискретах датчика

, ,

где – число периодов выходного сигнала датчика положения на оборот вала.

Если входной сигнал контура задается в угловых минутах, а коэффициент передачи датчика положения в общем случае , тогда при выборе коэффициента обратной связи одна единица задания на входе контура не будет соответствовать одной угловой минуте угла поворота вала механизма

.

Для обеспечения равенства необходимо установить звено с масштабирующим коэффициентом передачи либо на входе контура положения

,

либо в цепи обратной связи

.

Коэффициент обратной связи контура в общем случае находится по выражению

.

При цифровой реализации контура положения значение эквивалентной малой постоянной времени в цепи обратной связи выбирается из следующих условий:

– при равных временных интервалах расчета управлений в контуре положения и в контуре скорости

;

– при большем временном интервале расчета управления в контуре положения

,

где

– интервал измерения положения и расчета сигнала обратной связи в контуре положению, с;

– период широтно-импульсной модуляции инвертора преобразователя частоты, с;

– количество периодов модуляции, выбранное для измерения положения и расчета сигнала обратной связи в контуре положению.

Внутренний контур скорости

Контуры регулирования современных многоконтурных систем управления электроприводов настраиваются по типовым методикам [].

Контур скорости с П-регулятором

Оптимизированный по модульному оптимуму (МО) замкнутый контур скорости с П-регулятором представляет собой колебательное звено 2-го порядка и приближенно описывается передаточной функцией по управлению

, (1)

где

– коэффициент обратной связи контура скорости, в зависимости от входного сигнала, определяется по выражениям

или ;

– эквивалентная малая постоянная времени контура скорости, с;

– коэффициенты оптимизации контура скорости при типовой настройке.

Контур скорости с П-регулятором и настройкой на МО характеризуется следующими показателями качества работы:

– статическая ошибка по управлению

; (2)

– скоростная ошибка при линейном изменении задающего сигнала

, ; (3)

– полоса пропускания по модулю и по фазе

, , (4)

– перерегулирование и время первого и окончательного вхождения в 5% зону при отработке ступенчатого управляющего воздействия:

; , с. (5)

По возмущению (нагрузке) контур с П-регулятором имеет статическую ошибку

, . (6)

Контур скорости с ПИ-регулятором

Оптимизированный по симметричному оптимуму (СО) замкнутый контур скорости с ПИ-регулятором и типовым входным фильтром представляет собой колебательное звено 3-го порядка, приближенно описывается передаточной функцией по управлению

, (7)

где и – коэффициенты оптимизации контура скорости при типовой настройке.

Контур скорости с ПИ-регулятором, настройкой на СО и типовым фильтром на входе характеризуется следующими показателями качества работы:

– статическая ошибка по управлению

; (8)

– скоростная ошибка при линейном изменении задающего сигнала

; (9)

– полоса пропускания по модулю и по фазе

, , , ; (10)

– перерегулирование и время первого и окончательного вхождения в 5% зону при отработке ступенчатого управляющего воздействия:

; , с; , с. (11)

По возмущению (нагрузке) контур с ПИ-регулятором имеет статическую ошибку

. (12)

Настройка контура положения

Контур положения может быть оптимизирован по МО с П-регулятором

и по СО с ПИ-регулятором

.

Параметры настройки регуляторов положения:

– коэффициент усиления

; (13)

– постоянная времени

, (14)

где

– эквивалентная малая постоянная времени контура положения, с;

– эквивалентная постоянная времени внутреннего оптимизированного замкнутого контура скорости, с;

и – коэффициенты оптимизации контура положения при типовой настройке.

Таким образом, для настройки контура положения необходимо знать параметры оптимизированного контура скорости , и эквивалентную малую постоянную времени цепи обратной связи по положению. При цифровой реализации контура положения эквивалентную малую постоянную времени контура можно принять равной

, с, (15)

где

(16)

– при настройке контура скорости с П-регулятором на МО;

(17)

– при настройке контура скорости с ПИ-регулятором на СО.

При оптимизации контура положения внутренний замкнутый контур скорости в первом приближении в соответствии с типовой методикой оптимизации [ч. 2] может быть представлен апериодическим звеном

.

Настройка контура положения с П-регулятор на МО

Выбор коэффициента усиления П-регулятора положения согласно условию (13) обеспечивает контуру настройку близкую к МО для системы 2-го порядка

(18)

Показатели качества работы контура с передаточной функцией (18) будут зависеть (рис. 12) от отношения коэффициентов полиномов числителя и знаменателя . Поскольку отношение коэффициентов

,

то перерегулирование в контуре при отработке ступенчатых входных сигналов не превысит 6.7 %.

Рис. 12. Показатели качества работы по управлению контура положения с П-регулятором

Предварительно показатели качества работы по управлению замкнутого контура положения с П-регулятором и настройкой на МО можно оценить следующим образом:

– ошибка позиционирования (при )

; (19)

– скоростная ошибка при линейном изменении задающего сигнала и добротность контура по скорости определяются, соответственно, по выражениям

, угл. мин, (20)

; (21)

– полоса пропускания контура по модулю и по фазе:

, , , ; (22)

– перерегулирование, время первого и окончательного вхождения в 5% зону установившегося значения при отработке скачка задания:

; , с. (23)

Настройка контура положения с П-регулятор на ЛО

Для исключения перерегулирования и тем самым обеспечения одностороннего подхода при позиционировании контур следует настроить на линейный оптимум (ЛО) и на его входе установить фильтра с передаточной функцией вида

(24)

и постоянной времени .

Показатели качества работы по управлению замкнутого контура положения с П-регулятором и настройкой на ЛО предварительно можно оценить следующим образом:

– – ошибка позиционирования

; (25)

– скоростная ошибка и добротность контура по скорости определяются, соответственно, по выражениям

, угл. мин, (26)

; (27)

– полоса пропускания контура по модулю и по фазе:

, , , ; (28)

– перерегулирование, время первого и окончательного вхождения в 5% зону установившегося значения при отработке скачка задания:

; , с. (29)

При отработке больших входных сигналов этого может быть недостаточно для обеспечения одностороннего подхода и тогда необходимо формировать параболическую характеристику регулятора положения.

Настройка контура положения с ПИ-регулятор на СО

Выбор коэффициента усиления и постоянной времени ПИ-регулятора положения согласно условиям (13) и (14) обеспечивает контуру настройку близкую к СО для системы 3-го порядка

(30)

При отработке ступенчатых управляющих воздействий контур обеспечивает высокое быстродействие, но при перерегулировании в общем случае . Если на входе контура установить фильтр с передаточной функцией (24) и постоянной времени , то перерегулирование не будет превышать значения 43.4%. В этом случае передаточная функция принимает вид

. (31)

Показатели качества работы по управлению замкнутого контура положения с ПИ-регулятором и фильтром на входе предварительно можно оценить следующим образом:

– ошибка позиционирования (при )

; (32)

– скоростная ошибка и добротность контура по скорости определяются, соответственно, по выражениям

, ; (33)

– полоса пропускания контура по модулю и по фазе:

, , , ; (34)

– перерегулирование, время первого и окончательного вхождения в 5% зону установившегося значения при отработке скачка задания:

; , с; , с. (35)

Настройку контура положения на СО целесообразно применять для следящих электроприводов.

Настройка контура положения с задатчиком интенсивности на входе контура скорости

Структурная схема контура положения с задатчиком интенсивности на входе контура скорости приведена на рис. 13. Задатчик интенсивности скорости устанавливается с целью ограничения ускорения электропривода.

Рис. 13. Структурная схема контура положения с задатчиком интенсивности на входе контура скорости

Пусть задатчик интенсивности скорости имеет постоянную времени . Представим задатчик интенсивности инерционным звеном первого порядка с передаточной функцией

, (36)

где

(37)

– постоянная времени звена аппроксимации задатчика интенсивности, с.

Если замкнутый контур скорости с задатчиком интенсивности на входе в первом приближении представим апериодическим звеном

,

где , тогда может быть применена изложенная выше методика настройки контура положения с П- и ПИ-регуляторами при условии выбора эквивалентной малой постоянной времени контура из условия

. (38)