2854

ФГБОУ ВО “Воронежский государственный технический университет”

В.А. Медведев А.В. Романов

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2017

УДК 62-83.01(075)

Медведев В.А. Системы автоматического управления электроприводами: лабораторный практикум: учеб. пособие / В.А. Медведев, А.В. Романов. Воронеж: ФГБОУ ВО “Воронежский государственный технический университет”, 2017. – 100 с.

Учебное пособие содержит теоретические сведения о синтезе цифровых контуров регулирования электроприводов, построении системы управления вентильного электропривода, расчете параметров регуляторов при векторном управлении асинхронным электроприводом. Сформулированы предварительное и рабочее задания на лабораторные работы, требования к содержанию отчетов и контрольные вопросы.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 13.04.02 “Электроэнергетика и электротехника” (направленность “Электроприводы и системы управления электроприводов”), дисциплине “Системы автоматического управления электроприводами”.

Учебное пособие предназначено для студентов 2 курса, а также представляет интерес для преподавателей, аспирантов и инженеров, связанных с разработкой и исследованием систем автоматического управления электроприводами.

Табл. 10. Ил. 28. Библиогр.: 10 назв.

Рецензенты: кафедра электроэнергетики Международного института компьютерных технологий (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф.

А.Н. Анненков); канд. техн. наук, доц. А.П. Харченко

сМедведев В.А., Романов А.В., 2017

сОформление. ФГБОУ ВО

“Воронежский государственный технический университет”, 2017

2

ВВЕДЕНИЕ

Учебная дисциплина “Системы автоматического управления электроприводами” соответствует программе подготовки магистров “Электроприводы и системы управления электроприводов”, обучающихся по направлению 13.04.02 “Электроэнергетика и электротехника”.

Тенденции развития современного автоматизированного электропривода состоят в постоянном увеличении доли цифровых систем управления электроприводами в промышленности и сельском хозяйстве, а также в переходе от регулируемых приводов постоянного тока к вентильным электроприводам и асинхронным электроприводам с векторным управлением. Вопросы расчета, моделирования и экспериментального исследования таких приводов составили основу лабораторного практикума по дисциплине “Системы автоматического управления электроприводами”.

В том случае, когда исполнительный орган рабочей машины должен двигаться по сложной пространственной траектории, для перемещения его центра тяжести требуются три индивидуальных электропривода, и еще три привода нужны для ориентации рабочего органа; то есть всего требуются шесть индивидуальных электроприводов. К таким многокоординатным устройствам относятся манипуляторы промышленных роботов.

Вопросы управления манипуляторами рассмотрены в учебных пособиях [1], [2], основы моделирования роботов и робототехнических систем – в работах [3]÷[6].

Данный лабораторный практикум посвящен вопросам проектирования цифровых контуров регулирования, экспериментального исследования многокоординатного цифрового электропривода, расчета и моделирования вентильного электропривода и асинхронного электропривода с векторным управлением в системе MATLAB. Сформулированы предварительные и рабочие задания на лабораторные работы, требования к содержанию отчетов и контрольные вопросы.

3

ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Лабораторный стенд предназначен для исследования системы автоматического управления многокоординатным электроприводом. Блоки управления координат имеют в своем составе PIC-микроконтроллеры, широтно-импульсные преобразователи и обеспечивают управление исполнительными двигателями в соответствии с принципом подчиненного регулирования с обратными связями по току, скорости и положению.

Функциональные возможности стенда:

управление исполнительными двигателями по интерфейсу RS-485;

управление двигателями с помощью дискретных и аналоговых сигналов;

программная настройка ПИД-регуляторов для управления скоростью вращения двигателей;

настройка параметров и режимов работы индивидуальных электроприводов по интерфейсу RS-485;

защита от короткого замыкания;

получение по интерфейсу RS-485 информации о скоростях двигателей и параметрах состояния блоков управления.

Режимы работы блоков управления стенда: стабилизация скорости вращения двигателя по уровню

противо-ЭДС (Ст1); стабилизация скорости вращения двигателя с обратной

связью от инкрементального энкодера (Ст2); слежение за внешним аналоговым сигналом (Сл); ограничение момента на валу двигателя (М).

Стенд позволяет исследовать влияние структуры и параметров блоков управления координат на статические и динамические свойства индивидуальных электроприводов.

Верхний уровень системы автоматического управления многокоординатным электроприводом даёт возможность изучения алгоритмов позиционного и контурного типа.

4

Основные технические характеристики лабораторного стенда приведены в табл. 1.

При эксплуатации стенда необходимо выполнять следующие инструкции.

1.Включение питания осуществляется автоматом на лицевой панели стенда.

2.Во всех режимах работы индивидуального электропривода координаты ток нагрузки широтно-импульсного преобразователя не должен превышать 10 А.

3.Не допускается скачкообразное изменение сигнала задания скорости на максимальную величину при пуске, торможении и реверсе двигателей.

4.Для ограничения нагрузок механической части привода при управлении скоростью двигателя с помощью интерфейса RS-485 скачкообразное изменение скорости не должно превышать 10 рад/c.

5.При срабатывании защиты по току необходимо отключить автомат питания на лицевой панели стенда. После устранения причины перегрузки, но не ранее чем через 30 с, нужно включить питание и тем самым возобновить работу.

6.Изменения тока исследуемого индивидуального электропривода контролировать, подсоединяя к выводам шунта соответствующей координаты осциллограф С1-83.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ В РЕЖИМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ

ПО УРОВНЮ ПРОТИВО-ЭДС И ПО ИМПУЛЬСАМ ОТ ИНКРЕМЕНТАЛЬНОГО ЭНКОДЕРА

Цель работы: Изучение математического описания цифровых систем управления с учетом их дискретности. Исследование цифровой системы управления электропривода в режимах стабилизации скорости по уровню противо-ЭДС и с обратной связью от инкрементального энкодера.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Понятие цифровой системы управления электропривода

К цифровым системам управления (ЦСУ) относятся системы, состоящие из цифровых элементов. Термин «цифровой элемент» (ЦЭ) означает конструктивную электротехническую единицу дискретного действия, выполняющую определенные функции – логические, вычислительные, преобразовательные, запоминания сигналов. В составе цифровой системы управления эти элементы выполняют требуемые задачи управления.

На рис. 1 приведена схема цифровой системы управления координатой х электропривода, где ЦЗУ – цифровое задающее устройство, ЦС – цифровой сумматор, ЦР – цифровой регулятор, ЦАП – цифроаналоговый преобразователь, АЦП – аналогово-цифровой преобразователь, УП-Д – система управляемый преобразователь–двигатель, в которой УП является выходной исполнительной частью системы управления электроприводом. Заглавными латинскими буквами обозначены многоразрядные цифровые сигналы.

Входной цифровой сигнал хз0 устанавливает исходные параметры для х3, например, xзmax , xзmax , xзmax , что означает для выходной управляемой координаты электропривода х, например, для перемещения, соответственно заданные значения перемещения, максимально допустимые скорость и ускорение.

6

Цифровые системы, как и непрерывные системы управления электроприводов, формируют те же требуемые задачами управления алгоритмы, используют те же методы управления – модального управления, подчиненного регулирования, последовательной и параллельной коррекции и т.п. Однако в реализации алгоритмов управления может проявляться дискретность цифровой системы управления, отражающаяся на динамических и точностных показателях электропривода. Поэтому рассмотрим способы учета дискретностей цифровой системы управления электроприводом при синтезе цифровых регуляторов.

Расчетные модели цифровой системы управления с учетом дискретности по уровню

При любом способе построения цифровой системы управления дискретное представление значений цифровых переменных, определяемое конечным числом их разрядов, вносит отличие в преобразование сигнала по сравнению с непрерывными системами управления электроприводов. Эта так называемая дискретность по уровню, или квантованность по уровню.Оценим влияние данной дискретности на преобразование сигнала в цифровом элементе.

Наибольшая квантованность сигнала в цифровых датчиках, представляющих собой аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Рассмотрим АЦП. Квантованность по уровню выражается в многоступенчатой характеристике управления (рис. 2, а).

Такая характеристика вносит нелинейность в ЦСУ. Передаточный коэффициент АЦП, представляющий собой отношение единицы выходной величины к единице входной величины (∆х0)

определяет только усредненную выходную переменную

8

б)

Рис. 2. Характеристика управления (а), уточненная (б) и упрощенная (в) расчетные модели АЦП

Если заменить выходную переменную у на переменную х' в масштабе входной величины х, то разность

определит помеху от квантованности по уровню в виде периодической функции от х. Тогда описание нелинейной характеристики АЦП будет определяться выражениями

которым соответствует расчетная модель АЦП, приведенная на рис. 2, б.

Средний квадрат ошибки от квантования будет определяться как дисперсия помехи

9

При интегральной оценке влияния помехи квантования расчетная модель АЦП упрощается (рис. 2, в). Преобразователь представляется линейным звеном, на входе которого кроме полезного сигнала х действует помеха хп типа «белого шума» с равновероятными значениями в пределах от -0,5 х0 до 0,5 х0 с корреляционной функцией

где (t) – дельта-функция, и спектральной плотностью, равной дисперсии помехи:

В таком представлении АЦП влияние помехи от квантования сигнала можно учесть интегральной оценкой ошибки регулирования х координаты электропривода

где Wп ( jω) – модуль передаточной функции системы регулирования по каналу помехи квантования, равный x / xп .

Таким образом, имеются три варианта расчетной модели АЦП с квантованным по уровню выходным сигналом:

модель 1 – нелинейное звено с многоступенчатой релейной характеристикой управления (см. рис. 2, а), характеризуемой структурной схемой, показанной на рис. 2, б;

модель 2 – линейное звено с дополнительным сигналом в виде помехи, имеющей вероятностный характер типа «белого шума» с постоянной спектральной плотностью, равной дисперсии помехи (см. рис. 2, в);

модель 3 – линейное непрерывное звено без учета квантованности в соответствии с выражением (2).

10