Лекция 4 4 часа

Исполнительные механизмы (сервоприводы)

Исполнительные механизмы, или сервоприводы, состоят из цепи усилителя, переключателя и исполнительного устройства и пред­назначены для усиления слабого управляющего сигнала от регу­лятора или блока сравнения (доли ватт) до мощности, необходи­мой для воздействия на объект управления (до нескольких кило­ватт), возможно, с преобразованием сигнала в другую форму и передачи его на исполнительное устройство, воздействующее че­рез рабочий орган на объект управления. Хотя для анализа систе­мы управления удобно представлять привод совокупностью типо­вых элементов, однако конструктивно — это, как правило, еди­ное устройство, для которого указан вид и уровень входного и выходного параметров.

Приводы по виду выходного параметра делятся на силовые и параметрические.

Силовые приводы создают на выходе силу или момент, кото­рые обычно фиксируют положение рабочего органа (РО). Сило­вые приводы строят на базе электромагнитов, электромеханичес­ких муфт и различного вида двигателей.

Параметрические приводы предназначены для изменения со­стояния РО:

параметров самого РО (положения, скорости, температуры, электрического сопротивления);параметров энергии, подводимой к РО (напряжения, ток; частоты, фазы в случае электрических устройств, давления газ или масла в пневмо- или гидросистемах).

Например, в системе управления температурой электропечи регулируемым параметром является температура в печи, испол­нительным механизмом — усилитель, с выхода которого элект­роэнергия подается на регулирующий орган — нагревательный элемент печи. Температура в печи сравнивается с заданной. По результату сравнения в регуляторе вычисляется требуемое изме­нение напряжения на нагревательном элементе, которое и вос­производится усилителем.

Основными техническими показателями приводов являются:

• быстродействие;

• точность;

• диапазон линейного или углового перемещения рабочего органа;

• частота вращения;

• максимальная полезная мощность;

" максимальная и номинальная нагрузка;

• коэффициент усиления по мощности;

• мощность управления;

• КПД (приводы являются основным потребителем энергии в системе управления);

• ресурс работы и т.д.

В конкретных случаях разные факторы играют определяющую роль при выборе исполнительного механизма.

Сервоприводы делят на приводы с поступательным и враща­тельным движением. Приводы с вращательным движением в свою очередь делят на приводы с постоянной и с пропорциональной скоростью. В последнем случае скорость вращения двигателя про­порциональна входному параметру.

Сервопривод использует один или несколько сторонних ис­точников питания (электросеть, пневмосеть). Обычно стремят­ся построить привод на элементах, использующих сигналы од­ной формы: электропривод, гидропривод, пневмопривод. Одна­ко это не всегда удается, поэтому широко распространены ком­бинированные приводы — электрогидравлические, электропнев­матические и пневмогидравлические. Примером комбинирован­ного привода является электрогидравлический привод станка с ЧПУ.

В состав привода входят:

электронный цифровой блок управления обмотками шагового двигателя для обеспечения заданных направления и скорости вра­щения;

маломощный шаговый электродвигатель, преобразующий управляющие импульсы в угол поворота ротора;

гидроусилитель (следящий гидропривод), воспроизводящий угол поворота, но с мощностью, достаточной для перемещения суппорта.

Примером электропневмопривода является привод, в состав которого входит усилитель постоянного тока, усиливающий сиг­нал с регулятора до мощности, достаточной для срабатывания электромагнита, управляющего переключателем золотникового или струйного типа, и рабочего цилиндра с поршнем, вызывающим перемещение рабочего органа.

Примером пневмогидравлического привода служит привод, в котором используется быстродействующее пневматическое уст­ройство управления, а силовая часть является гидравлической.

Существуют пневмогидросистемы, в которых быстрое переме­щение рабочего органа выполняется за счет пневмопривода. При приближении РО к конечной точке включается гидропривод, осу­ществляющий точное позиционирование РО.

Усилители

Усилители — это преобразователи, предназначенные для уси­ления слабого сигнала от датчика (порядка 10~⁴... 10~⁵ Вт) до уров­ня, требуемого для его обработки, и усиления маломощного управ­ляющего сигнала до мощности, необходимой для управления ис­полнительным устройством системы (порядка 10³ Вт) за счет внеш­него источника энергии. По виду используемой энергии усилите­ли, как и другие преобразователи, делят на электрические, гид­равлические и пневматические.

В группу электрических усилителей входят электронные, маг­нитные, электромашинные и другие устройства, изменяющие па­раметры электрического сигнала. Усиление происходит за счет ис­пользования энергии стороннего источника питания: гидронасо­са, пневмосети и в конечном счете электросети.

В ряде случаев усилители наряду с функцией усиления мощ­ности выполняют функцию преобразования сигнала в другой вид, более удобный для работы системы управления (например, золотниковый гидрораспределитель с электромагнитным приво­дом).

Усилители выполняются как самостоятельные элементы либо входят в состав измерительных или исполнительных устройств и являются в этом случае их неотъемлемой частью. Как и другие элементы систем управления, усилители характеризуются стати­ческими и динамическими характеристиками, перечисленными ранее.

Основными параметрами усилителей помимо коэффициента усиления (по току, напряжению, мощности) постоянной време­ни (инерционность) и рабочего диапазона частот являются:

• линейность статической характеристики;

• величина зоны нечувствительности;

• энергетические параметры (входная, выходная и потребляе­мая мощность);

• стабильность параметров при изменении условий внешней среды и по времени и их воспроизводимость при серийном про­изводстве;

• долговечность, надежность, вибростойкость и т.д.

Возможный коэффициент усиления по мощности усилителей, применяемых в системах управления, лежит в диапазоне от 10 до 10⁷. Выходная мощность усилителей, применяемых в системах управле­ния, лежит в пределах от долей ватт до десятков киловатт. При мощ­ности до 100 Вт обычно применяют электронные усилители, при большей требуемой мощности — гидро- и пневмоусилители.

Так как слабый сигнал от датчика или сравнивающего органа на пути до исполнительного устройства претерпевает серию пре­образований и усиливается в миллионы раз, усиление происходит в несколько этапов, а сами усилители строят часто многокас­кадными, состоящими в свою очередь из нескольких соединен­ных последовательно усилителей.

Важной характеристикой являются величина запаздывания и инерционность усилителя. Обычно можно считать безинерцион­ными электронные усилители, гидравлические золотники, струн­ные реле. Наибольшим запаздыванием обладают магнитные и гидроусилители.

Усилители представляют обычно инерционным звеном перво­го порядка, характеризуемым передаточным коэффициентом (ко­эффициентом усиления усилителя) и постоянной времени. Дина­мические характеристики усилителей основных классов приведе­ны в табл.4.1.

Таблица 4.1.

Вид усилителя	Основное применение усилителя	Коэффициент усиления по мощности	Постоянная времени, с
Полупроводниковые	Усилительный каскад на постоянном токе Усилительный каскад на переменном токе Оконечный усилитель мощности	103...105 104... 106 102...103	10-6... 10-7 10-2...10-2. 10 -2… 10-4
Магнитные	Усилительный каскад на переменном токе	103 …105	10 -1…10-4
Электромашинные	Оконечный усилитель мощности ;	102...104	1…10-2
Гидравлические	Дроссельные Струйные	104...166 103...104	10-1…10-2 10-1... 10-2
Пневматические	Дроссельные Струйные	105...107 103…105	10-2...10-3 10-3...10-4

1. Электронные усилители

Особенностью электронных усилителей является их способность усиливать маломощные сигналы порядка 10^-6 Вт при напряжениях порядка 10^-3 В, поэтому в системах управления их применяют в основном в маломощных цепях для обработки сигналов от датчиков, для согласования элементов системы управления по уровню или мощности сигналов, для выработки управляющего сигнала. По выходной мощности эти усилители уступают гидро- и пневмоусилителям тех же габаритов, поэтому для управления исполнительными устройствами они применяются не так широко.

По соотношению входного сопротивления усилителя Z_BX и выходного сопротивления источника сигнала Z_с усилители делятся:

на усилители напряжения — Z_ВХ ≥ 100 МОм >> Z_c , ток во входной цепи усилителя І_вх = 0 (источник работает в режиме хо­лостого хода), усилитель практически не влияет на процессы в источнике (например, применяется для усиления сигналов с де­лителей напряжения типа неравновесных мостов);

усилители тока — Z_вх<<Z_c, источник сигнала работает в ре­жиме, близком к короткому замыканию, ток во входной цепи усилителя I_вх задается источником;

усилители мощности — Р = IU: Z_BX = Z_c, ток и напряжение на входе усилителя определяются как источником сигнала, так и усилителем.

При проектировании цепи управления следует уделить вни­мание согласованию звеньев цепи по их входным и выходным сопротивлениям.

В настоящее время в основном применяются полупроводнико­вые усилители благодаря их малым габаритам, низкой потребляе­мой мощности и высокой надежности. Работа полупроводниково­го усилителя основывается на возможности управления током от эмиттера к коллектору транзистора путем изменения напряжения на базе. На рис. 3.31 приведена схема простейшего усилителя на­пряжения с общим эмиттером. Схема питается от источника, плю­совой контакт которого соединен с землей, а минусовой при по­мощи делителя R_1, R₂ устанавливает режим работы транзистора. Выходная цепь представляет собой делитель, в первом из плеч которого стоят R_э, и транзис­тор, во втором — R_K. Выход­ное напряжение снимается с первого плеча делителя. В зависимости от входного на­пряжения меняется ток I_к че­рез R_э, R_K и выходное напря­жение U_вых как падение на­пряжения на R_э и транзисторе:

При закрытом транзисторе I_к= 0, падение напряжения на R_K равно нулю и U_вых=E_п. При открытом транзисторе

Рис. 4.1. Усилительный каскад с об­щим эмиттером

На рис. 4.2 представлена схема двухкаскадного усили­теля тока, оба каскада кото­рого соответствуют рис. 4.1.

Рис. 4.2. Двухкаскадный усилитель

Такой усилитель имеет коэффи­циент усиления 30. ..200.

Основными характеристиками усилителей являются уровень собственных шумов и пороговая чувствительность — минимальное значение входного сигнала, при котором выходной сигнал мож- но отличить от собственных шумов с заданной вероятностью Р (при Р = 0,98 сигнал на выходе должен превышать шум в 3 раза).

Источником собственных шумов являются электромагнитные наводки, уменьшить которые можно экранированием, а также тепловые шумы и шумы усилительных элементов. Особенно вредны шумы во входной цепи и первом каскаде усиления усилителя, где их уровень соизмерим с уровнем полезного сигнала. Шумы усиливаются следующими каскадами усилителя вместе с полезным сигналом и передаются на выход усилителя.

Современные усилители кроме своей основной функции обычно осуществляют также фильтрацию входного сигнала, оставляя в нем только представляющие интерес для анализа частотные со­ставляющие и удаляя помехи (например, наводки от электросети с частотой 50 Гц).

Различают следующие типы транзисторных усилителей:

усилители переменного тока, которые управляют мощностью переменного тока рабочей частоты (например, 50 Гц), подаваемо­го на электродвигатель синхронный или асинхронный;

усилители с импульсной модуляцией, предназначенные для усиления мощности импульсов, управляющих электромагнитны­ми распределителями в гидро- и пневмоприводах, электромаг­нитными муфтами, шаговыми электродвигателями, электродви­гателями, работающими в импульсном режиме, и т.д. (эти усили­тели также относятся к группе усилителей переменного тока);

усилители постоянного тока, предназначенные для усиления сигналов постоянного тока от датчиков, управления электромаг­нитными реле, согласования элементов системы управления по току и напряжению.