5.1.3. Принципиальные схемы некоторых приводов

На рис. 5.3, а представлена схема электромашинного привода с реостатным регулированием скорости вращения вала исполнитель­ ного электродвигателя (ИД) постоянного тока (далее - скорость электродвигателя). Скорость п д электродвигателя регулируется пу­ тем изменения сопротивления реостата R, включенного последова­ тельно в цепь якоря электродвигателя. Отличаясь простотой, эта схема широкого применения в настоящее время не находит вслед­ ствие малой жесткости механических характеристик, небольшого диапазона регулирования скорости, неустойчивости привода на малых наводочных скоростях и больших теплопотерь в реостате R.

На рис. 5.3, б представлена схема электромашинного привода с регулированием скорости пд электродвигателя изменением напря­ жения на обмотке возбуждения ОВд электродвигателя. Этот способ регулирования скорости осуществляется изменением магнитного потока возбуждения Фв электродвигателя с помощью реостата R. Отличаясь простотой, эта схема также широкого применения в приводах наведения не нашла, так как само регулирование скоро­ сти практически осуществляется только путем ослабления магнит­ ного потока возбуждения, что увеличивает ток 1Я, потребляемый якорем двигателя, ухудшаются условия коммутации и возрастает искрение на щетках.

На рис. 5.3, в дана схема электромашинного привода с регули­ рованием скорости п д электродвигателя путем изменения напряже­ ния иг подводимого к якорю исполнительного электродвигателя ИД от генератора Г В этой схеме реализуется регулирование по систе­ ме «генератор - двигатель» (Г-Д). Напряжение иг вырабатывается специальным генератором Г, приводящимся во вращение с посто­ янной скоростью п г приводным двигателем (ПД). Это напряжение регулируется в широких пределах изменением тока /Вг в обмотке возбуждения ОВг генератора с помощью реостата Rr. Одновремен­ но может регулироваться и величина магнитного потока Фв обмот­ ки возбуждения ОВд электродвигателя ИД с помощью реостата Rд. Таким образом, регулирование скорости вращения пд электриче­ ского двигателя производится в две ступени. Вначале (первая сту­ пень) регулирование скорости осуществляется путем изменения напряжения генератора иг при номинальном токе возбуждения /Вд двигателя. При этом максимальное значение скорости на первой ступени, получаемое при предельном значении напряжения генера­ тора, называют основной или номинальной скоростью.

Дальнейшее регулирование скорости (вторая ступень) повы­ шением от основной осуществляется изменением тока возбужде-

Антенна РЛС (ОР)

Рис. 5.3. Схемы простейших электромашинных приводов:

а - реостатное регулирование скорости; б - регулирование ско­ рости изменением напряжения на обмотке возбуждения; в - ре­ гулирование скорости измене­ нием подводимого напряжения от генератора

ния /вд исполнительного двигателя. Рассмотренная схема регули­ рования «Г - Д» позволяет существенно повысить жесткость меха­ нических характеристик двигателя, устойчивость привода, КПД и обеспечить более широкий диапазон регулирования скорости.

Кроме того, в цепях управления приводом (цепи возбуждения генератора и двигателя) токи управления /Вг и /Вд значительно мень­ ше токов /я в цепи якоря генератора и двигателя, что повышает надежность работы контура управления, да и всего привода в целом.

На рис. 5.4 представлена схема автоматизированного электромашинного привода, в котором используется замкнутая схема ре­ гулирования за счет введения отрицательных обратных связей. Эта схема радикально повышает качество работы привода.

Отрицательные обратные связи, охватывающие все элементы привода или часть их, обеспечивают повышение быстродействия привода (за счет форсировки переходных процессов), увеличение жесткости механических характеристик, повышение устойчивости малых наводочных скоростей и кратности регулирования. Однако, как известно [18], введение жесткой отрицательной обратной связи по скорости приводит также и к уменьшению коэффициента уси­ ления схемы, следствием чего может быть уменьшение величины максимальной скорости привода. Поэтому в схему дополнительно вводят предварительный усилитель, а обычный генератор заменен на электромашинный усилитель (ЭМУ) с большим коэффициентом

Рис. 5.4. Схема автоматизированного электромашинного привода

усиления по мощности (104... 105) и высоким быстродействием [13]. В качестве предварительного усилителя, например, используется релейный усилитель (виброусилитель), выполненный на базе трех­ позиционного поляризованного реле типа РП-5. Поскольку на вхо­ де предварительного усилителя мощность невелика, можно суще­ ственно упростить аппаратуру управления (задающее устройство), уменьшить ее габариты и вес и повысить надежность работы при­ вода. Это объясняется тем, что при больших коэффициентах уси­ ления даже небольшие изменения задающего сигнала приводят к резким изменениям входного сигнала, а, следовательно, и скорости двигателя. Переходные процессы отличаются большой колебатель­ ностью входных параметров, время регулирования недопустимо увеличивается. При определенном коэффициенте усиления привод вообще может быть неустойчивым. Вследствие этого в схему вве­ дена гибкая отрицательная обратная связь по напряжению ЭМУЕе сигнал противодействует этому напряжению. Соответствующим подбором параметров гибкой обратной связи можно обеспечить требуемые показатели качества переходных процессов. В схеме ав­ томатизированного привода отрицательные обратные связи реали­ зованы через обмотки виброусилителя (поляризованное реле). Реле имеет две обмотки. Обмотка OPi является основной, служит для управления приводом и подключена к задающему устройству, со­ стоящему из потенциометра управления и делителя напряже­ ния /?2. На эту же обмотку подается и сигнал жесткой отрицатель­ ной обратной связи по скорости вращения двигателя (ИД), образо­ ванной сопротивлением RKи частью потенциометра управления R\-

Обмотка ОР2 является вспомогательной, через эту обмотку вводятся дополнительные гибкие отрицательные обратные связи по напряжению и току управления ЭМУ. Гибкая обратная связь по напряжению ЭМУ выделяется с помощью цепочки RC (R - сопро­ тивление обмотки ОР2, С - емкость конденсатора). ЭМУ имеет три обмотки управления, из которых две (ОУ, и ОУ2) служат для воз­ буждения ЭМУ с определенной полярностью, а третья (ОУ2) - для формирования сигнала обратной связи по току управления ЭМУ Обмотки ОУ1 и ОУ2 соединены между собой, а их общая точка подключена к источника питания. Конец обмотки ОУ| присоеди­ нен к неподвижному контакту Л, а начало обмотки ОУ2 - к непо­ движному контакту П поляризованного реле. Якорь Я реле соеди­ нен с минусом источника питания.

Такая схема включения обмоток обеспечивает также измене­ ние полярности напряжения ЭМУ. Действительно, при замыкании якоря с контактом Л к источнику подключается обмотка ОУ]. ЭМУ возбуждается с определенной полярностью. Если же якорь реле за­ мкнется с контактом П, то к источнику подключается обмотка ОУ2. Она создает магнитный поток управления противоположного зна­ ка, что приведет к изменению полярности ЭМУ. Изменение поляр­ ности напряжения ЭМУ обеспечивает реверс двигателя.

Разновидностью автоматизированного электропривода являет­ ся следящий привод, обеспечивающий слежение оси управляемого объекта (орудие, пусковая установка, антенна и т. д.) за осью зада­ ющего устройства, положение которой меняется по произвольному закону. В качестве задающего устройства может быть любая из­ вестная система управления (потенциометрическая пара, сельсинная передача, гироскопическая группа и т. д.) [22].

На рис. 5.5, а представлена схема гидравлического привода с дрос­ сельным регулированием и ручным (механическим) управлением.

Рис. 5.5. Схема гидравлического привода с дроссельным регулированием и его структурное представление

Регулировочные свойства этого дроссельного привода оцени­ ваются его статической характеристикой V = Дт3), которая выра­ жает зависимость скорости V установившегося движения выходного звена (подвижная часть гидроцилиндра) привода от перемещения золотника. В идеальном случае (идеальный золотник и силовой гидроцилиндр без трения и нагрузки) скоростная статическая ха­ рактеристика выражается прямо пропорциональной зависимостью V = КхХз, где Кх - коэффициент передачи (усиления) привода по скорости. С учетом перекрытия радиальных зазоров, насыщения и трения гидродвигателя (гидроцилиндра) статическая характеристи­ ка нелинейная (Кх = var). В целом статическая характеристика, определяющая значение коэффициента усиления при различных амплитудах и частотах входного сигнала и учитывающая насыще­ ние по скорости, существенно влияет на устойчивость и быстро­ действие привода. Данный привод представляет собой разомкну­ тую систему регулирования. На рис. 5.5, б представлена структур­ ная схема привода.

На рис. 5.6, а дана схема следящего гидравлического привода с дроссельным регулированием и ручным управлением. Такие при­ воды используются в качестве бустеров (усилителей). Следящее действие заключается в том, что определенному смещению точки управления (йу) соответствует пропорциональное перемещение вы­ ходного звена (У). Зависимость у = Дйу) является (в установившем­ ся режиме) статической характеристикой привода, или у = kh йу, где kh- коэффициент передачи бустера.

Привод представляет собой замкнутую систему регулирования, в которой

dу

цирования; V = — и х , - скорость движения выходного звена и dr

величина смещения золотника.

Следует заметить, что широкое распространение получили по­ добные следящие гидроприводы с единичной обратной связью, в которых величина входного сигнала (Лг) практически равна вели­ чине смещения (У) выходного звена. При этом управляющий зо­ лотник размещается в подвижной части гидродвигателя (в штоке или корпусе гидроцилиндра). На рис. 5.6, б представлена структур­ ная схема привода.

гидроприводом, гидропривод с объемным регулированием имеет бо­ лее высокий КПД (г| = 0,65 0,75; у дроссельного х\ = 0,25 0,35), меньший объем гидробака, но меньшее быстродействие (примерно в 1,4 раза) за счет меньшей жесткости гидравлической пружины гидродвигателя.

Основным недостатком гидропривода с объемным регулирова­ нием является сложность системы автоматизированного управле­ ния гидронасосом переменной гидропроизводительности, где уп­ равление углом наклона (у) блока цилиндров (или поворотом дис­ ка) требует больших усилий и, как правило, использования с этой целью мощных двухкаскадных усилителей. Поэтому при мощности гидропривода менее 1...3 кВт более предпочтительным для следя­ щих систем является гидропривод с дроссельным регулированием. Перспективным является комбинированный гидропривод с двухка­ нальным управлением. В этом приводе изменение величины расхо­ да и скорости гидродвигателя осуществляется насосом переменной производительности с быстродействующим управлением, а изме­ нение направления движения жидкости и знака скорости гидродви­ гателя - с помощью специального дискретного золотникового рас­ пределителя.

В современных системах наведения установок широко приме­ няются электрогидравлические следящие приводы. Управляющая часть таких приводов состоит из электрических устройств, воспри­ нимающих задающие воздействия и сравнивающих их с сигналами обратных связей с последующим формированием сигнала управле­ ния силовыми частями привода. Силовой частью служат различно­ го типа гидродвигатели. Регулирование гидродвигателей может быть дроссельным, струйным или объемным. С целью уменьшения мощности, потребляемой электрической управляющей частью, ре­ гулирование гидродвигателей осуществляется промежуточными гидроусилителями. Сигналы обратной связи получаются с помо­ щью механических, гидравлических и электрических элементов (потенциометры, индуктивные датчики перемещения, сельсины, тахогенераторы).

На рис. 5.9 дана схема электрогидравлического следящего при­ вода с дроссельным регулированием без дополнительных обратных связей. При подаче сигнала управления ( мвх) на вход усилителя 1

в цепи управления электромеханического преобразователя 2 (ЭМП) появляется ток управления (/ ), вследствие чего якорь ЭМП вместе

с заслонкой 3 отклоняется от нейтрального положения. Заслонка, по-

Рис. 5.9. Схема электрогидравлического следящего привода

ворачиваясь на угол (р„, перераспределяет сливы через сопла 4, и на торцах золотника 5 гидроусилителя возникает перепад давлений ру = р - , под действием которого золотник, преодолевая уси­

лие пружины 6, смещается на величину ( х ,), пропорциональную параметрам мвх и / .

При этом одна из полостей исполнительного гидроцилиндра 7 соединяется со сливной, другая - с напорной (Рн) магистралями. Под действием перепада давлений ph = р, - р2 поршень гидроци­

линдра вместе со штоком, преодолевая нагрузку, перемещается в соответствующем направлении на величину У до тех пор, пока управляющее напряжение ивх не будет скомпенсировано напряже­ нием мос, подводимым к усилителю 1 с входа потенциометра 8 об­

ратной связи. Тогда ток в обмотке управления ЭМП становится равным нулю, якорь с заслонкой и золотник занимают свои нейтральные положения, а поршень гидроцилиндра приходит в но­ вое установившееся положение, при этом ит = иж; /v = 0; сря = 0;

hy = 0; х3 = 0; р у = 0; у - у0 • Таким образом, изменяя мвх, можно

Рис. 5.11. Схема следящего гидропривода с дроссельным регулированием

На рис. 5.11 представлена схема следящего электрогидропри­ вода с дроссельным регулированием, в котором имеется внутрен­ няя обратная связь с помощью рычага 4 между золотниками (управляющим 1 и управляемым 3) гидроусилителя. В этом приво­ де при равновесном состоянии золотников практически отсутству­ ет расход жидкости через гидроусилитель.

При подаче сигнала управления мвх через усилитель и ЭМП управляющий золотник 1 смещается на величину hv. При смеще­ нии, например, вправо полость А золотника 3 соединяется со сли­ вом, а полость Б находится под давлением питания риу гидроусили­ теля. Под действием перепада сил золотник 3 смещается влево на пропорциональную величину лг3 и через рычаг 4 смещает подвиж­ ную втулку 2 вслед за золотником 1 до нового равновесного поло­ жения. При смещении, например, золотника 1 влево полости А и Б находятся под одинаковым давлением, но, учитывая наличие штоковой части золотника 3 в полости Б, формируется перепад сил, под действием которого золотник 3 движется вправо. При этом через рычаг 4 втулка 2 также движется вслед за золотником 1 до нового равновесного положения. В целом же каждому сигналу нвх соответствует свое равновесное положение гидроусилителя и про­ порциональное перемещение поршня 5 гидроцилиндра. Недостат­ ком схемы являются большие усилия для ЭМП за счет сопротивле­ ния движения золотника 1 из-за облитерации зазоров и неравно­ мерного распределения давления в зазорах.

Рис. 5.12. Схема следящего электрогидропривода со струйным гидроусилителем -

На рис. 5.12 дана схема следящего электрогидропривода со струйным гидроусилителем и с единичной обратной связью в нем между управляющим (струйная трубка) и управляемым (золотник) элементами. Такой электрогидропривод отличается высоким быст­ родействием. В струйном гидроусилителе при отклонении струй­ ной трубки 1 (с помощью ЭМП) золотник 2 под действием разности сти давлений ( ph - ) в полостях А и Б перемещается вслед за

ней на величину hv = хъ.

Все выше рассмотренные электрогидроприводы имеют один гидроусилитель. Часто для увеличения мощности передаваемых сигналов используются два или несколько гидроусилителей, со­ единенных последовательно. Элементы этих гидроусилителей, как правило, собираются в одном корпусе, образуя многокаскадный усилитель.

На рис. 5.13 приведена схема электрогидропривода танкового стабилизатора с двойным гидроусилителем и с дроссельным регу­ лированием. Управление приводом осуществляется посредством электромагнита 7, воздействующего через коромысло 2 на игольча­ тые клапаны Ki и К2 первого гидроусилителя. Электромагнит вы­ полнен по дифференциальной схеме: его рабочие обмотки W\ и Wi включены встречно. Величина крутящего момента Му, создаваемо­ го магнитом, пропорциональна разности токов 1\ и /2, протекающих в этих обмотках, а направление зависит от знака разности токов.

Рис. 5.13. Схема электрогидропривода с двойным гидроусилителем

При появлении управляющего воздействия на коромысло (Му Ф0) происходит поворот коромысла на угол а. При этом клапан Ki пе­ реместится к седлу и проходное сечение управляемого дросселя (клапана) уменьшится. Одновременно клапан К2 переместится от седла, а проходное сечение этого дросселя увеличится. В результа­ те на поршеньках 3 второго гидроусилителя (также с игольчатыми клапанами) возникает перепад давлений, под действием которого происходит аналогичное перемещение клапанов К3 и К*. В конеч­ ном счете в полостях исполнительного гидроцилиндра возникает перепад давлений р Х1= р х- р 2, за счет которого и формируется мо­

мент гидропривода Мгп, воздействующий на орудие (объект регу­ лирования). При этом величина и знак этого момента Мгп пропор­ циональны величине и знаку сигнала управления. В данной схеме реализована конструкция двухкаскадного гидроусилителя (два по­ следовательно установленных гидроусилителя). Каждый гидроуси­ литель в данной схеме запитан от своего насоса Hi(H2).

В настоящее время также используются электрогидравлические следящие приводы с объемным регулированием. Этот привод имеет силовую часть, состоящую из регулируемого объемного насоса, гидродвигателя, вспомогательных устройств, и управляю­ щую часть, которой служит электрогидравлический привод с дрос­ сельным регулированием. Электрогидравлические приводы с объ­ емным регулированием различаются по принципиальной схеме, конструкции гидромашин силовой части, виду элементов управля­ ющей части, типу корректирующих устройств и другим признакам. На рис. 5.14 дана схема привода, силовая часть которого представ­ лена насосом 2 с приводом от электродвигателя 1 и гидромотором 3.

Вал гидромотора через редуктор соединен с управляемым объ­ ектом 4. Вместо гидромотора может быть применен гидроцилиндр, что исключает редуктор. С валом поворота объекта связан электри­ ческий датчик 5 обратной связи, напряжение на выходе которого изменяется пропорционально углу поворота объекта (ф). Может устанавливаться дополнительно и датчик скорости. Сигнал от дат­ чика обратной связи поступает на вход усилителя 6, к выходу кото­ рого подключен ЭМП, управляющий заслонкой 7 гидроусилителя с золотником 8. Этот золотник, в свою очередь, управляет гидроци­ линдром 9, шток поршня которого рычагом 11 связан с регулирую­ щим органом насоса (блок цилиндров, диск). От штока гидроцилин­ дра также имеется силовая обратная связь к золотнику с помощью рычагов 70, которые воздействуют на нагружающие золотник пру­ жины. Благодаря такой обратной связи обеспечивается пропорцио­ нальная зависимость перемещения штока у гидроцилиндра от тока управления iy ЭМП, и тем самым в контуре привода исключается одно интегрирующее звено. Вспомогательный насос 12 подпитывает рабочей жидкостью силовую часть привода и электрогидропривод с дроссельным регулированием, управляющий насосом 2. Входным