Система позиционного управления электроприводом

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 01) В 11 51) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИД ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с. 4 1; т ань,сиенко ьский Д.С. а систем ания элекгия, 1975,ство СССР11/01, 1982.ство СССР 11/01, 1985. ОГО УПРАВЛЕН(57)стробытупр ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР(56) Решлин Б.И ЯмполПроектирование и наладкподчиненного: регулировтроприводов. - М.: Энерс, 153-156,Авторское свидетельР 1084727, кл. С 05 ВАвторское свидетельР 1312521, кл, С 05 В СИСТЕМА ПОЗИЦИОНН ИЯКТРОПРИВОДОМИзобретение относится к станкоению и робототехнике и может ь использовано, например, при авлении электроприводами промьппленных роботов или прецизионных ме-, таллорежущих станков с ЧПУ, отрабатывающих монотонно изменяющиеся дозированные положительные (или отрицательные) задания на перемещение рабочего органа, Целью изобретения является повышение быстродействия системы за счет сужения области ее до отработки только монотонно возрастающих или только монотонно убывающих отрицательных сигналов задания по положению. Поставленная цель достигается следующим образом. Сигналзадания сравнивается с текущим значением положения вала элктродвигателя и выделяется модуль полученного сигнала рассогласования. Результирующий сигнал преобразуется в ПИрегуляторе положения и полученныйсигнал сравнивается с текущим значением скорости вращения вала электродвигателя. Результат сравнения преобразуется в ПИ-регуляторе скоростии поступает на первый информационный вход коммутатора, на остальныетри входа которого поступают выходные сигналы соответствующих источников постоянных сигналов. Выходнойсигнал коммутатора через первый ивторой ключи, состояние которых определяется знаком задающего воздействия, поступает на соответствующий вход регулятора тока, в которомсравнивается с током электродвигателя. Результат сравнения через усилитель мощности воздействует на электродвигатель, меняя положение и скорость вращения его вала. Кроме того,с помощью арифметического устройства, пяти триггеров шмитта и двух элементов И в системе анализируютсявеличины выходных сигналов задатчика, датчика скорости и регуляторовположения и скорости, В зависимостиот этих величин подают на вход коммутатора один из сигналов, поступающих на четыре его информационные входа, 2 ил., 2 табл.3 150Изобретение относится к станкостроению и робототехнике и может быть использовано, например, при управлении электроприводами промышленных роботов или прецизионных металлорежущих станков с ЧПУ, отрабатывающих монотонно изменяющиеся дозированные задания на перемешение рабочего органа.Целью изобретения является повышение быстродействия системы за счет сужения ее области применения до отработки только монотонно возрастающих положительных или только монотонно убывающих отрицательных сигналов задания по положению.На фиг,1 приведена блок-схема системы; на фиг,2 - фазовая траектория системы с пропорционально-интегральным регулятором скорости при отработке сигнала задания по треугольной тахограмме. даточными функциями типа У = К +Р иКц+ -- , либо пропорциональными с пере 0 1 О даточными функциями типа И= К, где К, К 1, - коэффициенты передачи пропорциональной и интегральной составляющей закона регулирования Тф Ипостоянная времени интегрирования.Переход от одного вида регуляторов положения 40 и скорости 41 к другому может быть легко осуществлен обнулением коэффициента передачи К, т.е.обнулением коэффициентов передачи интеграторов 29 и 30..Регулятор 12 тока обычно выполняется пропорционально-интегральным.25 Система позиционного управления электроприводом содержит измеритель 1 рассогласования, первый детектор 2, первый усилитель 3, первый сумматор 4, второй усилитель 5, коммутатор 6, первый 7, второй 8 и третий 9 источники постоянных сигналов,первый 10 и второй 11 ключи, регулятор 12 тока, усилитель 13 мощности, электродвигатель 14, датчик 15 тока, датчик 16 скорости, датчик 17 положения, логико-арифметический вычислительный блок 18,первый 19 и второй 20 триггеры Шмитта, пороговый блок с памятью 21, третий 22 и четвертый 23 триггеры Шмитта, первый 24 и второй 25 элементы И, второй детектор 26, релейный блок 27, задатчик 28, первый 29 и второй 30 интеграторы, второй сумматор 31, первый 32, второй 33, третий 34 и четвертый 35 входы коммутатора 6, первый 36, второй 37, третий 38 и четвертый 39 инфор" мационные входы коммутатора б, регулятор 40 положения, регулятор 4 1 скорости, устройство 42,определения тормозного пути.На фиг,2 Ь - сигнал рассогласования истины, И - скорость вра-. щения вала электродвигателя 14.Параллельно включенные первый усилитель 3 и первый интегратор 29 выполняют в данной системе функции регулятора 40 положения, а параллельно включенные второй усилитель 5 и второй интегратор 30 - регуляСистема работает следующим образом.В исходном состоянии рассогласование по положению равно нулю и сигнал на выходе второго сумматора 31,т,е. на выходе регулятора 4 1 скорости, отсутствует, При этом с выхода первого триггера 19 Шмитта, работающего в области отрицательныхнапряжений, на первый управляющий35 вход 36 коммутатора 6 поступает логический сигнал 1Пороги срабатывания триггеров 19 -23 Шмитта приведены в табл. 1, гдеХ,ъ, - максимально допустимый ток;40 Кдт Кс Кп коэффициент передачи датчиков тока, скорости и положения; Я, - максимально допусти"мая скорость; Щ - рациональныйпуть торможения,45 г Та блица 1 Т Порог срабатыванияТ,Кдт Т.,КАгчКс 1"1 пг КАс Мт Кп 55 Благодаря наличию на первом управляющем входе 36 коммутатора 6 логического сигнала "1" к его выходу 98264тора 41 скорости. В зависимости оттехнологических требований к данной системе регуляторы положения 40и скорости 41 могут быть либо пропорционально-интегральными с пере5 15098 подключен его первый информационный вход 32,В табл.2 отражено состояние информационных входов коммутатора 6 в зависимости от наличия сигналов на его управляющих входах. Таблица .2 36 37 38 39 Управляющийвход,на который подансигнал "1" 15 Информационный вход,подключенный к выходу коммутатора 32 33 34 3520 Сигнал задания на перемещение одновременно поступает на второй вход арифметического устройства 18 и второй вход измерителя 1 рассогласования. Рассогласование по положению с выхода измерителя 1 рассогласования поступает на вход первого детектора 2 и далее поступает на вход первого усилителя 3 и первого интеграто ра 29, образующих регулятор 40 положения, а далее с их выходов через первый сумматор 4 - на входы второго усилителя 5 и второго интегратора 30, образующих совместно с вторым сумматором 31 регулятор 41 скорости.Если задание на перемещение настолько мало, что не приводит к насыщению регулятора 4 1 скорости и к срабатыванию второго триггера 20 40 Ымитта, то состояние коммутатора 6 до окончания позиционирования не изменится. Выходной сигнал второго сумматора 31, т.е. выходной сигнал регулятора 41 скорости, через ком мутатор 6 поступает на информационные входы ключей 10 и 11. Релейный блок 27, выполненный, например, на основе усилителя с большим коэффициентом усиления, открывает один из ключей (при положительной полярности задающего сигнала - ключ 11, при отрицательной - ключ 10), благодаря чему сигнал задания на ток поступает на соответствующий вход регулятор 12 тока и вызывает поворот вала электродвигателя 14 на заданный угол. Реверс задания на ток при отрицательном задании на перемещение осуще При поступлении сигнала задания по положению на вход устройства 42 определения тормозного пути оно вычисляет величины тормозного пути и требуемой скорости системы при идеализированной треугольной тахо- грамме в соответствии с выражением;юЩ= -- +(0 Т2мт,р =,р 1 цъ 7,2 Я Егде Ст+т И р если Я рсЫсмакс(1 макс если ракс,О, если сдд 1, если цмаксЬЦттр тормозной путь системы; требуемая скорость системьдопустимое ускорение системы при разгоне; допустимое замедление системы при торможении; максимально допустимая скорость системы. ствляется подачей сигнала на инвертирующий вход регулятора 12 тока,Если задание на перемещение приводит к насыщению регулятора 4 1 скорости, то по достижении его выходным напряжением величины напряжения насыщения срабатывает второй триггер 20 Шмитта, подавая на второй управляющий вход коммутатора 6 логический сигнал " 1", приводящий к переключению выхода коммутатора 6 с его первого информационного входа 32 на второй 33. На второй информационный вход 33 коммутатора 6 подано постоянное положительное напряжение с выхода первого источника 7 постоянного сигнала, равное заданию на максимально допустимый ток. Благодаря этому на вход регулятора 12 тока поступает неизменный сигнал, обеспечивающий постоянство тока электродвигателя 14 на всем протяжении его разгона независимо от состояния регулятора 41 скорости.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Величины ни (д макс за" даются в виде постоянных коэффици ецтов в устройстве 42 определения тормозного пути в процессе пред- пусковых настроек системы.В одном из возможных вариантов выполнения системы устройство определения тормозного пути может быть реализовано с помощью логико-арифметического блока 18 и порогового блока .с памятью 2 1. В этом случае при поступлении сигнала задания на вход устройства 42 определения тормозного пути он сразу подается на первый вход логико-арифметического вычислительного блока 18. Последний в соответствии с выражением (1) вычисляет величину требуемой скорости (2, . Сигнал, пропорциональный требуемой скорости я , поступает с его первого выхода йа вход порогового блока с памятью 21, уровень срабатывания которого пропорционален уровню насыщения регулятора 40 положения и, следовательно, максимально допустимой скорости Я мак систеью. Благодаря этому логический сигнал "1" на выходе порогового блока с памятью 21 появляется лишь при больших заданиях на перемещение, которые необходимо отрабатывать по трапецеидальной тахограмме.С второго выхода логико-арифметического вычислительного блока 18 на аналоговый выход устройства 42 определения тормозного пути и далее на управляющий вход четвертого триггераа 23 Шмитта поступает сигнал ЬЯО, при котором необходимо начинать торможение в системе.Если, И( (дмакс, то логический сигнал 8 на выходе порогового блока с памятью 21 и на втором входе логико-арифметического вычислительного блока 18 равен "0". В этом случае при вычислении ЬЦ р принимается Ы =Ы . Если ЯЯ макс то логический сигнал 8 ца выходе порогового блока с памятью 21 и на втором входе логико-арифметического блока 18 равен "1". В этом случае при вычислении Ьпринимается. Я г = 1 ма ксВторое слагаемое в выражении (1) для Ь Ц обеспечивает более раннее начало торможения, тем самым компенсируется инерционность контура регулирования тока в системе и устраняется перерегулировацие по положению.Срабатывание четвертого триггера 23 Шмитта происходит по достижении сигналом ца его информационном вхо" де величины, задаваемой сигналом на управляющем входе, т.е. по достижении рассогласованием по положению величины Ь 4,Как только выходной сигнал первого детектора 2 достигает величины Цточетвертый триггер 23 Шмитта срабатывает и логический сигнал "1" с его выхода через первый элемент И 24 поступает на третий управляющий вход 38 коммутатора 6, что приводит к подключению выхода. коммутатора 6 к его третьему информационному входу 34, реверсу задания на ток электродвигателя 14 и началу торможения (на третий информационный вход 34 коммутатора 6 подано постоянное отрицательное напряжение с выхода второго источника 8 посто" янного сигнала,:равное по величине заданию ца максимально допустимый ток), Наличие первого элемента И 24 предотвращает принудительный реверс задания на ток при малых заданиях на перемещение, когда насыщения регулятора 41 скорости не происходит. По мере снижения рассогласования по положению сигнал на выходе второго сумматора 31, т.е. на входе регулятора 4 1 скорости, становится отрицательным, перенасыщая последний. Как только перенасыщение регулятора 41 скорости заканчивается, первый триггер 19 Шмитта, работающий в области отрицательных напряжений, срабатывает и подает логический сигнал "1" на первый управляющий вход 36 коммутатора 6, обеспечивая подклю-" чение выхода коммутатора 6 к его первому информационному входу 32 и тем самым к выходу второго сумматора 31, т.е. к выходу регулятора 4 1 скоростиаПринудительный реверс задания на ток и поддержание его вплоть до перенасыщения регулятора 41 скорости обеспечивает инвариантность данной системы к величине коэффициента усиления усилителя 5 регулятора 41 скорости.Благодаря более раннему началу торможения выход иэ насыщения регу 9 150982лятора 41 скорости происходит приположительных, близких к нулю скорости и рассогласованию по положению, чем обусловлено отсутствие вданной системе перерегулирования поположению при максимальном быстродействии.Если задание на перемещение настолько велико, т.е, Я рЮ с1 Ото разгон начинается так же, каки при отработке средних перемещений, с той лишь разницей, что в самом начале разгона с логического выхода блока 42 тормозного пути на 15первый вход второго элемента И 25поступает логический сигнал "1",При этом величина 6 ц, вычисляется в соответствии с выражением (1)при условии, что Ы=Ы. По 20достижении скоростью электродвигателя 14 величины Ясигнал датчика18 скорости вызывает появление навыходе третьего триггера 22 Шмитталогического сигнала 1, который через второй элемент И 25 поступаетна четвертый управляющий вход 39 коммутатора 6, благодаря чему выход последнего переключается на четвертыйега информационный вход 35, на ко. тарый подано постоянное положительное напряжение с выхода источника9 постоянного сигнала, равное заданию на статический ток. Тем самымна вход регулятора 12 тока поступаетзадание на статический ток и разгонпрекращается. При этом благодаря размьнанию контура скорости форсируетсяпроцесс снижения тока, предотвращается повторное насыщение регулятора41 скорости при колебаниях скорости40вокруг установившегося значения иисключается статическая ошибка паскорости в случае, если регулятор41 скорости выполнен пропорциональным, По достижении рассогласованием по положению величины Ь Ч тос выхода четвертого триггера 23 Шмитта через первый элемент И 24 на третий управляющий вход 38 коммутатора6 поступает логический сигнал "1",вызывающий переключение выхода коммутатора 6 на его третий информационный вход 34. В дальнейшем работа системы аналогична ее работепри отработке средних перемещений.Данная система благодаря компенсации влияния инерционности контура регулирования тока и конечной вели 6 10чины коэффициента усиления усилителя 5 регулятора скорости позволяет обеспечить максимальное быстродействие и отсутствие перерегулирования по положению приотработке средних и больших перемещений. Кроме тога, поскольку в предлагаемом электроприваде момент перехода к тормажению не зависит от коэффициента усиления усилителя 3 регулятора положения, последний может иметь линейную характеристику и настраиваться на отработку мальм рассогласований. Формула и з о б р з тениСистема позиционного управления электроприводом,содержащая релейный блок, первый, второй и третий источники постоянных сигналов,первый и второй элементы И, последовательно соединенные первый интегратор, первый сумматор и второй интегратор, а также первый и второй ключи, соединенные выходами саответственно с первым и вторым входамирегулятора тока, подключенного третьим входом к выходу датчика тока, а выходом - к входу усилителя мощ" ности, соединенного первым выводом с первым выводом обмотки якоря электродвигателя, а вторым выводом через датчик тока - с вторым вывоводом обмотки якоря электродвигателя, вал которого кинематически связан с валами датчика скорости и датчика положения, подключенного выходом к первому входу измерителя рас-, согласования, соединенного вторым входом с выходом задатчика, а выходам - с входом первого детектора,о т л и ч а ю щ а я с я тем, чта,целью повышения быстродействия системы, в нее введены второй дете.- тор, устройство определения тормозного пути, четыре триггера Шмитта,коммутатор, первый и второй усилители и второй сумматор, подключенный входами к выходам вторых усилителя.и интегратора, а выходом - к входампервого и второго триггеров Шмиттаи к первому информационному входукоммутатора, соединенного выходом синформационными входами обоих ключей, вторым, третьим и четвертым информационными входами - с выходамисоответствующих источников постоянных сигналов, первым управляющим входам - с выходом первого триггера11Шмитта, вторым управляющим входом - с выходом второго триггера Шмитта и с первым входом первого элемента И, третьим управляющим входом - с выходом первого элемента И, и четвертым управляющим входом - с выходом второго элемента И, подключенного первым входом к логическому выходу устройства определения тормозного пути, авторым входом - к выходу третьего триггера Шмитта, со единенного входом с выходом второго детектора, подключенного входом к выходу датчика скорости и второму входу первого сумматора, соединен 1509826 12ного выходом с входом второго усилителя, а третьим входом - с выходом первого усилителя, подключен-5ного входом к выходу первого детектора, входу первого интегратора иинформационному входу четвертоготриггера Пмитта, соединенного выходом с вторым входом первого элементаИ, а управляющим входом - с аналоговым выходом устройства определения тормозного пути, подключенного входом к выходу задатчика и входу релейного блока, соединенного выходом с управляющими входами обоихключей,15098 26 Составитель Г.НеФедовдактор С.Пекарь Техред Л.Сердюкова ектор З.Лончакова Заказ 5809/43 Тираж 788 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ГКНТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101