10. Микропроцессорные средства управления электропривода

Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство,' осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им и построенное на одной или нескольких больших интегральных микросхемах (БИС).

Микропроцессор является .элементом управления с гибким алгоритмом работы, который определяется закладываемой в его память программой и может быть изменен. При использовании изменение функционирования схемы достигается за счет замены одной программы другой. Очевидно, что .такой способ более удобен, прост и позволяет существенно уменьшить время на перенастройку схемы управления.

11. Следящий электропривод

Следящим называется ЭП, который обеспечивает (воспроизводит) с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления. Этот сигнал может изменяться в широких пределах по произвольному временному закону и быть механическим или электрическим. Чаще всего входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала задающего устройства. Следящий ЭП применяется для антенн радиотелескопов и систем спутниковой связи, в металлообрабатывающих станках, для привода роботов и манипуляторов, в автоматических измерительных устройствах и во многих других случаях.

Следящий ЭП состоит из датчиков 1 и 5 (рис. 11.36) входного и выходного сигналов, измерителя рассогласования 2, системы управления 3 и электродвигателя с механической передачей 4, который приводит в движение исполнительный орган б • рабочей машины.

Датчики входной и выходной величин преобразуют механические величины (скорость или угол поворота вала) в электрические – входной сигнал U^ и сигнал обратной связи С/дд. Измеритель рассогласования 2, алгебраически суммируя эти • сигналы, вырабатывает сигнал рассогласования С/д, поступающий в систему управления электродвигателем 3. Следящий ЭП по своей структуре представляет собой замкнутую систему, действующую по принципу отклонения.

Система управления 3 состоит из регулятора (усилителя) и силового преобразователя, которые обеспечивают необходимое преобразование сигнала

Рис. 11.36. Структурная схема следящего ЭП

рассогласования t/д в напряжение U, поступающее на двигатель. За счет выбора схем регулятора и преобразователя или введения корректирующих устройств обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения во времени U(t) при отработке входного воздействия со^у) или фвх^)-

Электродвигатель и механическая передача 4 в соответствии с законом изменения U(t) обеспечивают перемещение исполнительного органа 6. Иногда двигатель с механической передачей называют исполнительным механизмом (сервомеханизмом).

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

Различают следящие ЭП с непрерывным или прерывным управлением; последние, в свою очередь, делятся на релейные и импульсные.

:В следящих ЭП непрерывного действия напряжение, пропорциональное сигналу рассогласования, постоянно подается на двигатель.

Следящий ЭП релейного действия характеризуется тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае, когда сигнал рассогласования достигает определенного значения. Поэтому работа релейного следящего ЭП характеризуется определенной зоной нечувствительности по отношению к входному сигналу.

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

В следящем ЭП используются двигатели переменного и постоянного тока, различные виды усилителей (электромашинные., магнитные, полупроводниковые, пневматические, гидравлические), датчики скорости и положения и другие аналоговые и цифровые устройства управления.

Рассмотрим несколько схем реализации следящих .ЭП.

Рис. 11.37. Схема следящего ЭП постоянного тока релейного действия

Следящий электрический привод постоянного тока релейного действия. В схеме (рис. 11.37) используется ДПТ последовательного возбуждения М, имеющий две обмотки возбуждения ОВ1 и ОВ2. Управление ДПТ осуществляется с помощью силовых транзисторов VT1 и VT2. Каждый из транзисторов работает при определенной полярности сигнала рассогласования U^, обеспечивая одно из направлений вращения ДПТ. Если открыт транзистор VT1, то ток проходит по ОВ2 и ДПТ вращается в одном направлении, если же открыт транзистор VT2, то ток проходит по ОВ1 и он вращается в другом направлении. Направление тока якоря в обоих случаях остается неизменным.

. Разрядные диоды VD3 и VD4, служат для снятия перенапряжений, возникающих при отключении обладающих значительной индуктивностью обмоток возбуждения и якоря.

В рассматриваемом следящем ЭП в качестве датчиков входной и выходной величин используются кольцевые потенциометры 777 и 772, которые образуют так называемый потенциометрический измеритель рассогласования.

Движок потенциометра 777 (датчика входной величины) связан с выходным валом задающего устройства ЗУ, который представляет собой в данном, случае редуктор с ручным приводом. Движок потенциометра 772 (датчика выходной величины), связан с валом редуктора Р, расположенного на валу ДПТ, и рабочей машины РМ. Редукторы ЗУ и Р имеют одинаковое передаточное число. Питание потенциометров П1 и П2 осуществляется напряжением постоянного тока Uy.

Сигнал рассогласования .t/д снимается с движков потенциометров П1 и 772. При их одинаковом угловом положении, что соответствует нулевому углу рассогласования А<р= ^""Фаых» сигнал 1/д==0. При этом равен нулю и сигнал t/д на вькоде усилителя У, оба транзистора VT1 и VT2 закрыты и ДПТ неподвижен.

При возникновении рассогласования между угловыми положениями движков потенциометров 777 и 772, вызванного поворотом рукоятки ЗУ, сигналы • С/д и [7д становятся отличными от нуля. В зависимости от полярности сигнала ?/д, которая определяется знаком угла рассогласования А(р, сигнал С/д подается на транзистор VT1 (по цепи диод VD10 – стабилитрон VD5 – резистор R3 – диод VD7) или VT2 (по цепи диод VD9 – стабилитрон VD6 – резистор R4 – -диод VD8). Если этот сигнал превышает порог срабатывания стабилитронов VD5 или VD6, то соответствующий транзистор откроется, подключая ДПТ к источнику питания с напряжением U. Двигатель начнет вращаться, поворачивая вал рабочей машины РМ и ось движка потенциометра 772 в направлении, при котором возникшее рассогласование в системе будет уменьшаться и стремиться к нулю. Когда сигнал <7д станет меньше напряжения открывания стабилитронов VD5 или VD6, работающий транзистор (ГГ7 или VT2) закроется и отключит ДПТ от источника питания.

Таким образом, ЭП в данной схеме отрабатывает заданное перемещение <рд^ с некоторой погрешностью, обусловленной нечувствительностью системы из-за порога срабатывания стабилитронов 'VD5, VD6. Зону нечувствительности системы стараются делать возможно меньшей в пределах 2...3⁰ угла рассогласования. Однако снижение зоны нечувствительности может привести к возникновению нежелательного колебательного режима работы ЭП около положения равновесия. Эффективным средством устранения такого режима является введение в систему дополнительных сигналов по первой

Рис. 11.38. Схема .следящего ЭП переменного тока

и второй производным сигнала рассогласования, а также использование электрического торможения после отключения двигателя.

Достоинствами следящих ЭП релейного принципа действия являются их простота, надежность и возможность получения оптимальных траекторий движения исполнительных органов рабочих, машин. К недостаткам таких систем следует отнести их склонность к колебаниям и наличие определенной нечувствительности (неточности) при слежении.

Следящий электропривод переменного тока пропорционального действия. В следящем ЭП широкое применение находят АД, которые отличаются надежностью в работе и долговечностью. При создании маломощных (до 1 кВт) следящих ЭП обычно используются двухфазные короткозамкнутые АД, в том числе и с полым ротором (рис. 11.38).

Двигатель М имеет обмотки возбуждения 0В и управления О У, которые питаются сдвинутыми по фазе на 90° напряжениями. Регулирование скорости АД осуществляется изменением действующего значения напряжения на ОУ, которая получает питание от фазы А трехфазной сети переменного тока через тиристоры VS1 – VS4. Обмотки возбуждения 0В связаны с фазами В, С через тиристоры VS5 – VS6. Тиристоры VS1 – VS6 образуют тиристорные регуляторы переменного тока. Они попарно включены по встречно-параллельной схеме, что обеспечивает протекание тока по обмоткам в оба полупериода питающего напряжения.

Рассогласование между задающей осью и валом ЭП измеряется с помощью сельсинной пары, состоящей из сельсина-датчика СД и сельсина-приемника СП. Положение ротора СД задает входной сигнал (pg^, а положение ротора СП определяет угол поворота вала ЭП (рвых- Сигнал рассогласования <7д, снимаемый с обмотки статора СП, пропорционален разности углов (рд^ и (рвых» ^а фаза этого напряжения определяется знаком этой разности.

Сигнал рассогласования [/д, вырабатываемый сельсинами СД и СП, подается на вход фазочувст-вительного усилителя У1. После прохождения через корректирующее звено, состоящее из резисторов R1, R2 и конденсатора С1, сигнал рассогласования усиливается усилителем У 2 и в виде напряжений (7д1 и С/да поступает на блок управления ти-ристорами.

Схема работает следующим образом. При появлении сигнала рассогласования С/д в зависимости от его фазы на выходе усилителя У 2 появляются напряжения U^ или U^. При возникновении, например, напряжения U^ СИФУ подает импульсы управления на тиристоры VS1, VS2, VS5, VS6. Тиристоры открываются, и на О У и О В подаются напряжения Uoy и <7дв, которые пропорциональны сигналу рассогласования U^. Двигатель М начинает вращаться, уменьшая угол рассогласования Дф==(р^ – <рд^ между осями сельсинов СД и СП. , При другой фазе сигнала [7д, что имеет место при изменении знака угла рассогласования А(р, на выходе усилителя У 2 появляется напряжение U^. Этот сигнал вызывает включение тиристоров VS3, VS4, и на' обмотку управления ОУ будет подано напряжение Uoy, сдвинутое по фазе на 180° по сравнению с предыдущим- случаем. Поскольку одновременно с этим откроются тиристоры VS5 и VS6 V. О В также_лолучит питание, двигатель М начнет .вращаться, но уже в другом направлении. Таким образом, за счет изменения фазы напряжения Uoy осуществляется реверс двигателя М, что обеспечивает отработку угла рассогласования любого знака.

Конденсаторы С2 – С5 и резисторы R3, R4 служат для сглаживания пульсации напряжения на обмотках двигателя.

Цифроаналоговьга позиционный следящий электропривод постоянного тока. При необходимости получения высокой точности слежения (до 0,001%) в современном ЭП применяются цифровые датчики его координат, которые вместе с другими цифровыми устройствами управления (задатчиками, сумматорами, счетчиками и т. д.) образуют измерительную часть следящего ЭП. Высокие показатели следящего ЭП получаются в том случае, когда цифровая измерительная часть сочетается с аналоговой частью, выполненной по принципу подчиненного регулирования координат. В результате такого соединения образуются так называемые цифроаналоговые системы ЭП, сочетающие в себе положительные свойства цифровых и аналоговых систем.

Аналоговая часть ЭП (рис. 11.39) выполнена по структуре подчиненного регулирования координат, в которой внешний контур регулирования положения выполнен цифровым, а внутренние контуры регулирования тока и скорости – аналоговыми. Аналоговая часть содержит регулятор тока РТ, на который поступают сигналы задания по току U,,. и обратной связи по току Uy,., подаваемые соответственно с регулятора скорости PC и датчика тока ДТ. Выходной сигнал регулятора тока U является управляющим

Рис. 11.39. Структурная схема цифроаналогового следящего электропривода постоянного тока

для реверсивного преобразователя ПУ, питающего якорь ДПТ независимого возбуждения М. Регулятор скорости PC в свою очередь получает сигналы Uy^ от датчика скорости (тахогенератора) BR и U^ от задатчика интенсивности ЗИ, входным сигналом которого является выходной сигнал U',^ аналогового реулятора положения РП.

В состав цифровой измерительной части ЭП, формирующей сигнал рассогласования U^, входят датчики входной ДП1 и выходной ДП2 координат ЭП (его положения), арифметическое суммирующее устройство АСУ, преобразователь кода в напряжение ПКН (преобразователь код – аналог) и преобразователь кода положения вала ДПТ в двоичный код ПК.

Работа цифровой части следящего ЭП происходит . следующим образом. Требуемое перемещение ИО рабочей машины вырабатывается задатчиком ДП1 в виде числа N,_y в двоичном коде. Этот сигнал подается на вход сумматора АСУ вместе с числовым сигналом N^ (также в двоичном коде), соответствующим действительному положению исполнительного органа рабочей машины.

Сумматор АСУ обеспечивает суммирование этих двух цифровых сигналов и выделение сигнала рассогласования в цифровом коде N^. Далее цифровой сигнал N^ с помощью преобразователя ПКН преобразуется в аналоговый сигнал U^ (напряжение постоянного тока), который поступает на вход регулятора положения РП.

Цифроаналоговый следящий ЭП имеет хорошие динамические показатели работы за счет аналоговой части и высокую точность слежения, обеспечиваемую цифровой частью. Элементы и устройства такого ЭП реализуются на основе унифицированной серии аналоговых (УБСР-АИ) и цифровых (УБСР-ДИ) регуляторов.