Способ астатического регулирования скорости двигателя постоянного тока

(19) (1 Ц 02 Р 5 06 ОС Л )4ФИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ В ТОРСИ СВИДЕТЕЛЬСТ АРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АМ ЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(72) В.П.Казанцев и В.И.Петренко (71) Пермский политехнический институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР 9 479208, кл Н 02 Р 5/06.2. Патент Японии Р 55-39996, .кл. Н 02 Р 5/06, 1980.(54)(57) СПОСОБ АСТАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯН НОГО ТОКА, при котором.в переходных процессах Формируют напряженке, пропорциональное заданной производной тока якоря, интегрируют его, огра- ничивают на уровне пропорциональном максимально допустимому току якоря и сравнивают полученное напряжение с напряжением, пропорциональным току якоря, результат сравнения преобразуют в напряжение на якоре двигателя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыаения качества регулирования, дополнительно определяют напряжение, пропорциональное производной скорости двигателя, Форьщруют напряжение, пропорциональное максимальному. отклонению скорости в переходном процессе, уменьшают его вдвое, сравнивают с напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости, и по результату сравнения Формируют .напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, при этом напряжение, пропорциональное максимальному отклойению скорости в переходном процесса, .обнуляют при достижении нулевых значений напряжения, пропорционального текущему отклонению скорости от заданно.го значения, или напряженияпропорционального производной скорости двигателя.Изобретение относится к электро-,технике, а именно к .управлениюэлектроприводами постоянного токас независимым возбуждением, питаевым по цепи якоря от управляемогопреобразователя, и может быть использовано для систем стабилизациискорости вращения электроцриводов,статическая нагрузка и момент инерции которых могут меняться в широких пределах.10Известен способ астатическогорегулирования скорости двигателя,заключающийся в том, что в законрегулирования вводят интегральнуюсоставляющую от .ошибки регулирования по скорости, обеспечивающую вустановившихся режимах нулевую статическую ошибку регулирования ско-.рости 11 .Недостатком известного способаявляется то, что при изменении пара-.метров электропривода, в частностимомента инерции, в широких пределахпоказатели качества регулированияухудшаются, поскольку параметры ре-. 25гуляторов рассчитываются для вполнеопределенных параметров электропривода. Кроме, того, скорость нараста. ния тока якоря, определяющая условиякоммутации двигателя, может оказаться недопустимо большой, посколькуотсутствует ограничение темпа нарастания тока якоря.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является способ астатического регулирования скорости двигателя постояйного тока,при котором в переходных процессахФормируют напряжение, пропорциональ,ное заданной производной тока якоря,интегрируют его, ограничивают на : 40уровне пропорциональном максимально. допустимому току якоря и сравниваютполученное напряжение с напряжением,пропорциональным току якоря, резуль-.тат сравнения преобразуют в напряжение на якоре двигателя 121 .Недостатком данного- способа является то, что при изменении момента,инерции электропривода качество переходных процессов по данному спосо" 50бу регулирования скорости ухудшаетсяЭто связано с тем, что процесс регулирования ведется для объекта с неизменными параметрами,Цель изобретения - повышение качества регулирования скорости. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу астатического регулирования скорости двигателя постоянного тока, при котором 60 в переходных процессах формируют напряжение, пропорциональное задан-. ной производной тока якоря, интегрируют его, ограничивают на уровне ,пропорциональном максимально допус тимому току якоря и сравнивают полученное напряжение с напряжением,пропорциональнымтоку якоря, резуль-тат сравнения преобразуют в напря-, жение на якоре двигателя, дополнительно определяют напряжение, пропорциональное производной скорости двигателя, формИруют напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, уменьшают его вдвое, сравнивают с.напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости, и по результату сравнения формируют напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, при этом напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в пе.рЕходном процессе, обнуляют при достижении нулевых значений напряжения, пропорционального текущему отклонению скорости от заданного значения, или напряжения, пропорционального производной скорости двигателя.На Фиг. 1 нрйведена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 - кривые переходных процессов .при ступенчатом набросе статической нагрузки на ва,лу привода (18 - ток якоря, 19 и 20- динамическое падение скорости двигателя при двух различных по величи не моментах инерции электрапривода); иа Фиг 3 - кривые переходных процессов "в малом" при ступенчатом изменении сигнала задания скорости (21 и 23 - ток якоря и 22.и 24 - приращение скоростй двигателя при двух различных,по величине моментах инерции привода);. на Фиг. 4 -кривые переходных процессов ив большом", т.е. придостаточно больших ступенчатых приращениях сигнала задания скорости двигателя (25 - ток якоря). Устройство, реализующее способ, состоит (Фиг. 1) из последовательно включенных регулятора 1 скорости, задатчика 2 интенсивности тока якоря, содержащего последовательно включенные усилитель-ограничитель 3 и интегрирующее звено 4 с элементами 5 ограничения выходного напряжения, регулятора 6 тока якоря, управляемого преобразователя 7, выходом подключенного к якорной цепи двигателя 8, Датчики 9 тока якоря и дат" чик 10 скорости двигателя подключены ко входам соответствующих регуляторов; регулятор 1 скорости содержит первый суммирующий усилитель 11, второй суммирующий усилитель 12 с различными коэффициентами передачи по входам, двухсторонний амплитудный детектор 13, логическую схему14 ИЛИ, нуль-органы 15 и 16, причем выход первого суммИрующего усилителя 11 подключен ко входам нуль-органа15, двухстороннего амплитудного детектора 13 и к первому неинвертирующему входу второго суммирующего усилителя 12, ко второму инвертируюцему входу которого подключен выход двухстороннего амплитудного детек тора 13, к цепи сброса напряжения последнего подключен выход логической схемы ИЛИ, входы которой соединены с выходом нуль-органов, вход нуль-органа 16 соединен с выходом 10 датчика 17 динамического тока якоря.При функционировании систеьж в условиях изменяюцегося сигнала задания скорости, т,е.не в режиме стабилизации скорости, в устройство 15 для реализации способа могут быть введены элементы ограничения выходного напряжения первого суммирующего усилителя в целях повышения быст. - родействия системы при больших отклонениях напряжения задания скорости.Устройство работает следуюцым образом.В установившемся режиме работы среднее значение отклонения скорос- . ти от заданного значения равно нулю, т.е. РМ =-9 = О, где У 1 отклонение скорости от заданного значения; 4, - заданное значение скорости; 4- величина действитель-, З 0 ной скорости двигателя.Средние значения. напряжений Ол ц на выходах соответственно первого и второго суммирующих усилителей 11 и 12 равны нулю. Среднее значение 35 выходного напряжениядвухстороннего амплитудного детектора 13 равно нулю, запоминаемые им максимальные мгновенные отклонения скорости от установившегося значения тут же сбра .сываются на нуль, поскольку на выходах, нуль-органов 15 и 16 в квазиус-. тановившихся режимах 1 отклонение скорости двигателя и ее производная колеблются с достаточно большой час тотой около нулевого значения ) формируются сигналы логической "1", воздействующие через логическую схему 14 ИЛИ на цепь сброса напряжения двухстороннего амплитудного детектора 13. Среднее значение напряжения на выходе усилителя-ограничителя 3 равно нулю, напряжение задания тока якоря на выходе интегрирующего звена 4 равно напряжению датчика 9 тока якоря.55 При набросе статической нагрузки на валу привода скорость Ч двигателя падает, что приводит к появлению напряжения,пропорционального откло нению скорости от установившегося значения на выходе первого суммирую-. щего усилителя 11, т.е. 01 = К л Я-Н) где К - коэффициент усиления первого суммирующего усилителя 11 у ч - , 65 установившееся значение" скорости дви гателя.Двухсторонний амплитудный детектор 13 формирует напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, Второй суммирующий усилитель 12 выполнен с коэффициентом передачи по неинвертируюцему входу, абсолютная величина которого в два раза.больше, чем абсолютная величина коэффициента передачи.по инвертирующему входу этого усилителя, В связи.с этим напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, уменьшается вдвоеНеобходимость уменьшения вдвое напряжения,пропорционального максимальному отклонению скорости в переходном процессе, обусловлена тем, что при описании управляемого преобразователя 7 безинерционным звеном система управления электроприводом представляет собой интегратор второго порядка, оптимальный по быстродействию переходный процесс в которой обеспечивается при переключениях.в моменты времени, соответствующие половине максимального отклонения скорости,В суммируюцем усилителе 12 уменьшенное вдвое напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости, в переходном процессе сравнивается с напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скоростиНа выходе усилителя-ограничителя 3 формируется напряжение., пропорциональное заданной производной тока якоря, которое интегрируется интегрирующим звеном 4 и ограничивается элементом 5 ограничения. Полученное напряжение сравнивается с напряжением датчика 9 тока якоря, регулятор 6 .тока якоря формирует напряжение управления преобразовате. лем 7, выходное напряжение которого, будучи приложенным к якорной цепи двигателя 8, вызывает отслеживание током якорякривая 18,фиг.21 линейно нарастающего напряжения задания тока якоря ( регулятор тока якоря может иметь ПИ, ПИД или ре" лейную структуру). Поскольку отклонение скорости от. установившегося значения и производная от скорости двигателя не равны нулю, то напряжение двухстороннего амплитудного детектора 13 не сбрасывается на нуль и он продолжает функционировать в режиме выборки,. пока .динамическое падение скорости двигателя 8 не достигнет максимального значения ос/,(кривая 19, фиг, 2 1, Производная от скорости двигателя 8 становится равной, нулю, нуль-орган 16 выдает кратковременный пробный55 60 65 сигнал логической "1" и сбрасываетнапряжение двухстороннего амплитудного детектора 13 на нуль, котороесразу же восстанавливается до своего прежнего значения, как толькона выходе нуль-органа 16 появляетсясигнал логического "0". Двухсторонний амплитудный детектор 13 переходит в режим запоминания напряжения,пропорционального максимальномуотклонению скорости о Я. Ток якоряпродолжает нарастать пока текущееотклонение ЙЧ скорости от устано"вившегося значения не станет меньшеполовины максимального отклоненияскорости (момент времени 1,фиг. 2) .Как только ВЧ станет меньше 0,581знак напряжения на : выходе суммирующего усилителя 12 и усилителяограничителя 3 сменится на обратныйи ток якоря начнет линейно спадать,скорость двигателя 8 монотонно устремится к установившемуся значению.В момент равенства тока якоря статическому току (момент временифиг. 2 ) производная от скорости двигателя 8 станет равной нулю и происходит пробный сброс напряжениядвухстороннего амплитудного детектора 13 на нуль. Если при этом выполняется равенство нулю отклоненияскорости от установившегося значения, т.е. 6 Ч = О, то система прихо"дит в установившийся режим и ееФункционирование становится аналогичным рассмотренномувыше. Если вмомент равенства нулю производнойот скорости двигателя 8 имеет местоненулевое отклонение скорости отустановившегося значения, то по сигналу от нуль-органа 16 Стираетсяиз памяти двухстороннего амплитудного детектора 13 прежнее запомненноезначение максимального отклоненияи записывается новое, имеющее местов момент времени 1, Напряжение навыходе второго сумьжрукщего усилителя 12 имеет при этом такой же знакчтр и О, так как коэффициент егопередачи по первому входу в два ра-за больше, чем повторому. Далеепроцесс ликвидации отклонения скорости от установившегося значения.аналогичен рассмотренному процессуперехода системы иэ состояния с максимальным отклонением скорости 8 Ущв состояние, содтветствующее момен ту времени Ь (Фиг. 2). Посколькупараметры регуляторов не зависят отмомента инерции привода, о при произвольном изменении момента инерции,например уменьшении, качество переходных процессов не становится хуже(алгоритм. работы регулятора скорости останется тем же, хотя динами-,ческий провал скорости, естественно,изменяется (становится больше при уменьшении момента инерции привода,если приложена такая же по величинестатическая нагрузка на валу привода,кривая 20, фиг. 1 ).Рассмотрим реакцию системы "в малом" на ступенчатое изменение сигнала задания скорости. Изменение сигнала задания скорости на величинус Ч вызывает появление сигнала ошибки на выходе первого суммирующего 10 усилителя 11.: Оп = КВЧф. Такое женапряжение появляется на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13О = 0К ЮЧф, которое, будучи максимальным в данном переходном процес се, запоминается им. Напряжение навыходе второго суьмирующего усилителя 12 и напряжение на выходе усилителя-ограничителя 3 имеет один.итот же знак, следовательно, ток 20 якоря, отслеживая сигйал задания тока якоря, формируеьый интегрируемымзвеном, линейно нарастает до техпор, пока текущее отклонение скоростиот заданного значения не станет мень ше половины максимального отклонания 8 Чф в начале переходного процесса 1 кривые 21 тока якоря и 22 приращенйя скорости двигателя), Как только ВЧ станет меньше 0,5 У Чф (моментвремени Ь, Фиг. 3), напряжение навыходе второго суммирующего усили.=теля 12 сменит знак, напряжение. задания тока якоря начнет уменьшаться,вызывая линейное уменьшение токаякоря и монотонное приближение скорости двигателя 8 к новому установившемуся значению. При равенственулю производной от скорости двигателя 8 (момент времени 1 р , фиг.3)происходит, сброс иа нуль напряжения,запомненного ранее двухстороннимамплитудным детектором 13. Еслитекущее отклонение скорости приэтом равно нулю, то система переходит в новый установившийся режим.45 Если имеет место некоторое не равное нулю отклонение ЗЧ скоростиот заданного значения, то оно запоминается двухсторонним амплитуднымдетектором 13 и происходйт отработ ка системой этого отклонения в соответствии с описанной выше процедуройЕсли момент инерции привода изменился, например возрос, то отработка такого же по величине прира" щения сигнала задания скорости потребует формирование болЬшего дина" мического тока якоря и, естественно, увеличится время переходйогопроцесса (кривые 23 тока якоря и 24скорости двигателя, Фиг. 3), одна-,ко переходный процесс по-прежнемубудет оптимальным по быстродействию,поскольку параметры регулятора106 7581 скорости не зависят от величины момента инерции привода,При достаточно больших приращениях сигнала задания скорости (фиг. 4) линейно нарастающее напря жение на выходе интегрирующего звена 4 достигает своего максимального значения и ограничивается элементами 5 ограничения (в простейшем случае двумя встречно включенными . 1 О стабилитронами), ток якоря двигателя (кривая 251 также выходит на режим ограничения(момент времени .1, Фиг. Ц . При отсутствии статической нагрузки на валу привода скорость двигателя линейно нарастает, пос 15 кольку является интегралом от постоянного динамического тока якоря. Напряжение на выходе первого суммирующего усилителя 11 изменяется пропорционально отклонению скорости 20 от заданного значения, а на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 хранится напряжение, пропорциональное максимальному отклонению 6 Чф скорости от заданного значения. Выходное напряжение второго суммирующего усилителя 12 сменяет свой знак, когда отклонение скорости от заданного значения станет меньше половины максимального отклонения скорос ти (момент времени Е 2, фиг. 4), При этом ток якоря начинает умень-. шаться и скорость двигателя стремится к некоторому установившемуся значению. Когда производная от скорос ти двигателя 8 станет равной нулю (момент времениз, Фиг.4), нуль-орган 16 .выдает сигнал логической "1 фф и через схему 14 ИЛИ сбрасывает на нуль напряжение двухстороннего ам О плитудного детектора 13. На выходе второго суммирующего усилителя 12 снова появляется напряжение того же знака, что и О , ток якоря,и скорость двигателя 8 начинают нарастать, а на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 запоминается напряжение, пропорциональное отклонению скорости 6 У+ в момент времени 1 З фиг. 4). В дальнейшем процесс отработки отклонения скорос О ти от заданного значения аналогичен рассмотренному выше и в некоторый момент времениобразуется новый установившийся режим, Очевидно, что переходный процесс отработки доста-. 55 точно больших приращений сигнала задания скорости не является оптимальным по быстродействию, Однако переходный процесс станет оптимальным по быстродействию, если ввести эле менты ограничения выходного сигнала первого суммирующего усилителя 11 на блок-схеме они не показаны ), ограничив его напряжение на уровне, дропорциональном удвоенному эначе- у нию отклонения Дуф скорости двигателя 8 от начального значения (фиг,4)в момент времени 1 . В этом случаемаксимальное значение запомненогосигнала на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 также ограничено на уровне Оаак = 02 оа= К 28 Кф", Выходное напряжение второго суммирующего усилителя 12 сменяет свой знак в момент временифиг. 4), когда отклонение скоростиот заданного значения становитсяменьше отклонения 8 уфф скорости отначального значения. При этом токякоря начинает линейно спадать, аскорость двигателя монотонно устрем"ляется к новому установившемуся заданному значению (пунктирные линии,Фиг. 4),Величину относительного отклонения д- скорости двигателя от наМФчального значения можно подсчитатьпо ФормулеУ, ь,йгде Т =- инерционная постоянМ)м.иая времени привода Ийр - приведенный к валу двигателяв момент инерции привода; Он, М - номинальныезначения скорости и электромагнитного момента двигателя 1;уж - относительное значение динамического тока якоря двигателя.Поскольку при отсутствии статической нагрузки на валу привода динамический ток равен току якоря, то1можно записать син- 1где ТТ фпостоянная интегрирования сигналазадания тока якоря. Тогда величинаотносительного отклонения определяется иэ выражейия ЗЧ". Ф,. 12 Т ТЕсли ток якоря двигателя ограничивать на уровне= 23, где Дн = 1 номинальное относительное значениетока якоря, то с учетомфнзложенного будет справедливым соотношение= 2, Принимая во внимание пос.1леднее выражение, получим Поскольку расчетная величина отклонения ЮЧфф скорости от начального значения зависит от величины момента инерции привода, то очевидно, что при достаточно болыаих приращениях сигнала задания скорости н изменениях момента инерции привода система в общем случае не будет оп- тимальной по быстродействию.Таким образом, предложенный способ астатического регулирования ско 1067581 1 Орости электропривода и устройства для его реализации позволяют получить оптимальные по быстродействию переходные процессы в системе в режиме стабилизации скорости двигателя, причем в широком диапазоне изменения момента инерции привода и изменения статической нагрузки на,валу двигателя Способ является также оптимальным по быстродействию .при различных моментахинерции привода в режиме программного изменениясигнала задания скорости, если это 5 изменение не вызывает необходимостьв ограничении величины, тока якоря106758125/56 Тираж671 Подп ВНИИПИ Государственного комитета ССС но делам изобретений и открытий 3035, моеква, Ж 35, Рауюская наб., дЗаказ 1 оно Филиал ППП "Патентф,. г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель Ю.ВоробьевРедактор М.Дыпын Техред.М.Гергель . Корректор И