6.7. Следящий электропривод

Следящим называется электропривод, который обеспечивает с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся сигналом управления. Этот сигнал управления может изменяться в широких пределах по произвольному временному закону и иметь как механическую, так и электрическую природу. Чаще всего входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала. Следящий электропривод применяется для антенн радиотелескопов и систем спутниковой связи, в копировальных станках, для привода исполнительных органов роботов и манипуляторов, в автоматических измерительных устройствах и во многих других случаях.

Структурная схема следящего электропривода представлена на рис. 6.13. Он состоит из датчиков 1и2входного и выходного сигналов, измерителя рассогласования3, системы управления4и электродвигателя с механической передачей5, который приводит в движение исполнительный орган6в рабочей машине.

Датчики входной и выходной величин преобразуют механические величины (скорость или угол поворота вала) в электрические – входной сигнал U_вхи сигнал обратной связиU_о,с. Измеритель рассогласования3, алгебраически суммируя эти сигналы, вырабатывает сигнал рассогласованияU_, поступающий в систему управления электродвигателем4. Следящий электропривод по своей структуре представляет собой замкнутую автоматическую систему.

Система управления 4состоит из усилителя (регулятора) и силового преобразователя, которые обеспечивают необходимое преобразование сигнала рассогласованияU_в напряжениеU, поступающее на двигатель. За счет выбора схем усилителя (регулятора) и преобразователя или введения корректирующих устройств обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения во времениu(t).

Электродвигатель и механическая передача 5в соответствии с законом измененияu(t) обеспечивают перемещение исполнительного органа6. Иногда двигатель с механической передачей называют исполнительным механизмом (сервомеханизмом).

Классификация следящего электропривода может быть выполнена по нескольким признакам. Если следящий электропривод предназначен для воспроизведения с заданной точностью скорости движения исполнительного органа, то он называется скоростным, а если положения – то позиционным.

По виду характеристики системы управления 5различают следящие электроприводы с непрерывным или прерывным управлением; последние, в свою очередь, делятся на релейные и импульсные.

Отличительной особенностью следящих электроприводов непрерывного действия является непрерывное управление электродвигателем, пропорциональное сигналу рассогласования.

Следящий электропривод релейного действия характеризуется тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае, когда сигнал рассогласования достигает определенного значения. До этого значения сигнала рассогласования напряжение на двигатель не подается и он неподвижен. Поэтому релейный следящий электродвигатель имеет определенную зону нечувствительности.

Импульсный следящий электропривод отличается тем, что управляющее воздействие на электропривод подается в виде импульсов напряжения, амплитуда, частота или скважность которых изменяется в зависимости от сигнала рассогласования. В этих случаях говорят соответственно об амплитудно-, частотно- и широтно-импульсной модуляции сигнала управления.

В следящем электроприводе используются двигатели переменного и постоянного тока, различные виды усилителей (электромашинные, магнитные, полупроводниковые, пневматические, гидравлические), датчики скорости и положения.

а) СледящийэлектроприводпостоянноготоканепрерывногодействиясЭМУ

Схема следящего электропривода этого вида приведена на рис. 6.14. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения Мприводит в движение рабочую машинуРМчерез механическую передачуР. Якорь двигателяМполучает питание от электромашинного усилителя поперечного поля (ЭМУ), который в этой схеме выполняет функции силового преобразователя и одного из усилителей системы.

В качестве датчиков входной _вхи выходной_выхвеличин в данной схеме используются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. Один из них, называемый сельсином-приемникомСП, является датчиком выходной величины_выхи устанавливается на валу редуктораР. Другой сельсин, называемый сельсином-датчикомСД, преобразует входной сигнал_вхв электрический. При показанном на схеме соединении обмоток статоровСДиСПи питании обмотки ротораСДоднофазным напряжением переменного токаU_внапряжениена обмотке ротораСПбудет пропорционально разности углов_вхи_вых, т. е.

(6.9)

а фаза этого напряжения будет определяться знаком угла рассогласования .

Следовательно, в рассматриваемой схеме включения сельсины СДиСПпозволяют выделить сигнал рассогласования т. е. выполняют одновременно функции измерителя рассогласования (элемент3на рис. 6.13) и датчиков входной и выходной величин.

Сигнал рассогласования переменного тока поступает на вход фазочувствительного усилителяУ1, который усиливает его и преобразует в сигнал постоянного тока, полярность которого определяется фазой сигнала, т. е. знаком разности углов_вхи_вых. Далее этот сигнал, пройдя через корректирующее звено (резисторыR1,R2и конденсаторС1), поступает на вход усилителяУ2, который осуществляет дополнительное усиление сигнала рассогласования.

Выходное напряжение усилителя У2, представляющее собой результирующий сигнал управления следящего электроприводаU_, подается на обмотки управления ЭМУОУ-IиОУ-II, включенные по дифференциальной схеме с нулевой точкой. В результате такого включения магнитный поток ЭМУ определяется разностью МДС обмотокОУ-IиОУ-II, т. е. разностью токов, протекающих по этим обмоткам. Полярность напряженияUна выходе ЭМУ, подаваемого на якорь двигателяМопределяется знаком (полярностью) сигналаU_.

Помимо корректирующего звена, состоящего из элементов R1,R2иС1, в схеме используется дополнительное корректирующее звено, в состав которого входят резисторыR3,R4и конденсаторС2. Эти корректирующие звенья обеспечивают требуемое качество регулирования выходных координат электропривода_выхив динамических режимах его работы.

Работа следящего электропривода происходит следующим образом.

В исходном, согласованном положении _вх=_вых,и двигательМнеподвижен. При изменении_вхвозникает угол рассогласованиямежду положениями роторов сельсиновСПиСДи в соответствии с (6.9) на обмотке ротораСПпоявляется сигнал. В зависимости от фазы этого сигнала, которая определяется знаком разности, на двигательМбудет подано напряжениеUтакой полярности, при которой вращение двигателя и исполнительного органа рабочей машиныРМбудет происходить в направлении, уменьшающем угол рассогласования. При достижении углом рассогласованиянулевого значения и постоянстве_вхдвигательМотключается и вновь будет находиться в неподвижном состоянии. Таким образом, следящий электропривод работает только при возникновении угла рассогласования между осями датчика и приводного двигателя (исполнительного органа рабочей машины). Процесс работы следящего электропривода сводится к непрерывному автоматическому устранению возникающего рассогласования.

Рассматриваемый следящий электропривод с ЭМУ применяется на мощности от нескольких ватт до десятков киловатт. Он отличается высокой перегрузочной способностью, не вносит искажения в форму питающего напряжения, а при торможении двигателя обеспечивает рекуперацию энергии в сеть. Переход из режима двигателя в режим генератора обеспечивается естественными характеристиками электрических машин и происходит без резких изменений момента двигателя, что имеет большое значение для получения требуемых точности и плавности работы следящего электропривода.

Вместе с тем следящий электропривод, в котором используются электромашинные преобразователи и усилители, характеризуется существенными недостатками. Это относительно невысокое быстродействие, значительные массы и габариты силовой части электропривода, невысокий КПД (0,5–0,6), значительный уровень шума за счет вращающихся частей электромашинного агрегата.

В связи со сказанным в современных системах следящего электропривода обычно используются статические полупроводниковые усилители и преобразователи, применение которых позволяет устранить большинство из отмеченных недостатков, свойственных электромашинным преобразователям.

б)Следящийэлектроприводпостоянноготокастиристорнымпреобразователем

Схема следящего электропривода с ДПТ, якорь которого питается от реверсивного ТП, приведена на рис. 6.15.

Особенностью данного электропривода является применение измерительной схемы на основе двух синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ). Один из них – СKВТ-Дявляется датчиком входного сигнала_вх, а другой – СКВТ-П – датчиком выходной величины_вых. СКВТ имеет на статоре и роторе по две взаимно перпендикулярно расположенные в пространстве обмотки, схема соединения которых видна из рисунка. При повороте ротораСKВТ-Дв обмотках ротора наводится переменная ЭДС, амплитуда которой пропорциональнаодной обмотке и– в другой. В остальном принцип измерения угла рассогласования 6=6вх–6вых и выделения сигнала рассогласования Уде=о такой же, что и в случае применения сельсинов, однако СКВТ обеспечивают большую точность.