Глава 8 исполнительные устройства

8.1. Общие характеристики исполнительных устройств

Исполнительным устройством системы автоматического управления в большинстве случаев является привод, перемещающий регулирующий орган в соответствии с сигналом регулирующего воздействия.

В качестве исполнительных устройств (серводвигателей) в системах автоматики чаще всего применяются электродвигатели. Менее распространены гидравлический и пневматический сервоприводы.

Серводвигатель преобразует сигнал управления в перемещение. При этом перемещение может выполнятся как с постоянной или переменной скоростью, так и в импульсном режиме.

В первом случае перемещение начинается при некотором отклонении входного сигнала от нулевого значения, т.е. при ± х₀ (рис. 8.1). При этом значение скорости постоянно и устанавливается скачком.

Во втором случае скорость перемещения изменяется плавно, пропорционально управляющей величине. Причем серводвигатель имеет зону нечувствительности (рис. 8.2), ограниченную значениями ± х₀.

В третьем случае управляющий сигнал поступает в виде импульсов, разделенных во времени, каждый из которых вызывает

перемещение вала серводвигателя на определенную величину. Это перемещение называется шагом, а привод такого типа называется шаговым. Скорость перемещения в этом случае переменна и пропорциональна частоте следования управляющих импульсов.

Для осуществления каждого из названных режимов перемещения с помощью электрических двигателей используются специальные схемы управления, которые также относятся к устройствам сервопривода.

8.2. Электрические серводвигатели

Серводвигатели являются разновидностью электропривода; принцип их действия тот же, что и у силовых двигателей, но работают они в специфических условиях, определяющих некоторые специальные требования к их конструкции и схемам включения.

Серводвигатель в отличие от обычного приводного устройства непрерывно работает в переходных режимах. Следовательно, чтобы не вносить в тракт автоматического управления нежелательных запаздываний, серводвигатель должен быть быстродействующим, т.е. он должен быстро разгоняться, быстро тормозиться, быстро обрабатывать команды реверсирования. У двигателей, работающих в режиме плавного регулирования, желательно наличие возможно большего диапазона изменения скоростей.

Для уменьшения инерции ротор такого электродвигателя делают удлиненным и небольшого диаметра.

Требуемая скорость перемещения нагрузки обычно во много раз меньше скорости вращения вала серводвигателей, поэтому они, как правило, работают с редукторами и часто объединяются с ними конструктивно. Наличие редуктора, снижая до минимума влияние момента сопротивления нагрузки, также повышает быстродействие серводвигателя.

Специальные схемы включения позволяют повысить пусковой момент серводвигателя постоянного тока и тем самым повысить скорость его разгона.

Электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением

В схеме, показанной на рис. 8.3, электродвигатель управляется по цепи якоря. Входными величинами электродвигателя являются напряжение на его щетках и_вх или ток в цепи якоря i_я. В качестве выходных величин могут быть приняты момент на валу двигателя М, угловая скорость ω и угол поворота вала α.

В установившемся режиме угловая скорость электродвигателя пропорциональна входному напряжению, ω = kU_вх.

Рис. 8.3. Схема серводвигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Поскольку двигатель работает в переходных режимах, необходимо учитывать и его динамические свойства.

Инерционность серводвигателей малой мощности характеризуется постоянными времени порядка 10 ^-1... 10 ^-5 с, а большой мощности — порядка 0,1... 1 с.

Выбор схемы управления серводвигателя постоянного тока с независимым возбуждением в значительной степени зависит от его мощности. Для электродвигателей малой мощности целесообразно использование плавного управления, улучшающего общие характеристики автоматической системы, а для более мощных электродвигателей — использование релейных схем, с помощью которых проще осуществлять коммутацию больших токов.

Для изменения направления вращения электродвигателя постоянного тока достаточно изменить направление тока только в обмотке якоря или только в обмотке возбуждения. Управление посредством изменения тока возбуждения применяется сравнительно редко, так как при этом сильно возрастает электромагнитная постоянная времени, т.е. инерционность электродвигателя, а ток якоря даже у небольших электродвигателей постоянного тока обычно довольно большой, поэтому наибольшее распространение получили схемы реверсирования с помощью реле. Повышение чувствительности схемы обеспечивается применением электронных реле.

На рис. 8.4 показана схема реверсирования серводвигателя посредством поляризованного реле. В этой схеме напряжение и_вх, соответствующее по знаку входной величине х_вх, поступает в обмот-ку реле (Р), контакты которого, переключаясь из одного своего положения в другое, изменяют направление тока в якоре электродвигателя.

Рис. 8.4. Схема управления серводвигателем постоянного тока посредством поляризованного реле

При выключении электродвигатель останавливается не сразу вследствие наличия инерции. В случае необходимости быстрой остановки электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением после выключения (путем размыкания цепи якоря) обмотку его якоря замыкают на небольшое шунтирующее сопротивление R_ш, показанное на рис. 8.5 пунктиром.

Для плавного увеличения или уменьшения скорости применяется мостовая схема включения электродвигателей (рис. 8.6) как постоянного, так и переменного тока (в последнем случае напряжение с мостовой схемы поступает на обмотку статора).

Обмотка якоря двигателя постоянного тока в этом случае питается напряжением, снимаемым с диагонали моста, образованного потенциометрами R₁ и R₂. Это напряжение пропорционально перемещению движков этих потенциометров, а его полярность зависит от направления их перемещения.