Следящий привод

СОЮЗ СОВЕТСНИХ ООИАЛИСТИЧЕСНИХ УБЛИК 11 1 НИЕ ИЗОБРЕТЕН ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ автомао в слее исколаев,кин,в з б ребляеель дово ввеьство С1/14,тво С/14,позволя я дви- знерГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(57) Изобретение относится к тике и может быть использован дящих системах, где в качеств полнительного элемента исполь двигатель, постоянного тока ли фазный асинхронный двигатель изобретения - увеличение рес работы привода и снижение пот мой мощности. Поставленная ц стигается тем, что в устройст дена цепь коррекции, учитыва инерционность нарастания скор полнительного механизма, что ет уменьшить частоту включени гателя и снизить потребление гии, 6 ил.О а,в равление вр ия ротора дО Противчасовой сов и трелке стрелки Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в следящих системах, где в качестве исполнительного элемента используется двигатель постоянного тока либо трехфазный асинхронный двигатель.Целью изобретения является увеличение ресурса работы привода и снижение потребляемой мощности.На фиг. 1 показана блок-схема следящего привода с исполнительным двигателем постоянного тока последовательного возбуждения; на фиг 2 схема усилителя для трехфазного асинхронного двигателя; на фиг, 3 - статические характеристики пороговых элементов с петлей гистереэиса (с последовательно включенными диодами) нафиг.4 а, и 4 б - временные диаграммы отработки следящей системой соответственно монотонно возрастающего и монотонно убывающего воздействия (с учетом отработки начального рассогласования); на фиг 5 а и 5 б - временные диаграммы отработки следящей системой управляющего воздействия при переходе его от возрастания к убыванию и наоборот на фиг. 6 - временные диаграммы, иллюстрирующие число включений электродвигателя и потребляемый ток в предлагаемом следящем приводе по сравнению с прототипом. Следящий привод (фиг.1) соцержит эадатчик 1 и датчик 2 обратной связи, которые могут быть выполненЫ в виде потенциометров, сумматор 3, выполненный на резисторах 4, 5 и 6, первый 7 и второй 8 пороговые элементы, выполненные на операционных усилителя 9 и 10 и резисторах 11 - 16, первый 17 и второй 18 выпрямители, первый 19 и второй 20 инверторы, первый 21 и второй 22 элементы И, усилитель 23, выполненный на транзисторах 24-27, резисторах 28-31 и диодах 32 и 33, двигатель 34 постоянного тока с обмотками возбуждения 35, 36 и якорем 37, редуктор 38 и объект управления 39.На фиг, 2 приведена схема усилителя 23, предназначенного для испольэо вания с трехфазным асинхронным двигателем 34, содержащего 4 одинаковых ключевых элемента 40-43, каждый из которых, например, может быть выполнен на оптране 44, диодном выпрямительном мосте 45, семисторе 46 и резисторе 47.Потенциометр 1 служит для введе" ния задающего воздействия (требуемого углового перемещения). Потенциометр 2, жестко связанный с объектом управления 39, является преобразователем угла поворота в напряжение постоянного тока. Напряжение с потенциометров 1 и 2 поступает на входы сумматора 3 выполненного на резис" торах 4, 5 и 6, на выходе которого вырабатывается разность 0 , которая пропорциональна угловому рассогласованию между задающей и исполнительной осями. Напряжение О поступает на входы пороговых устройств 7 и 8 с петлей гистерезиса, которые выполнены на операционных усилителях 9 и 10. Пороги срабатывания определяют О ся для них соотношением сопротивлений резисторов 12 и 13, 15 и 16. Для подачи на входы логических элементов только положительных уровней напряжения служат выпрямительные элементы 17 и 18.Статические характеристики пороговых элементов 7 и 8 (вместе с выпрямительными элементами 17 и 18) приведены на фиг.З, Входные на О пряжения О и Ц логических элемент а тов (инверторы 19 и 20 и элементы типа И 21 и 22), соединенных по схеме фиг. 1, и выходные напряжения 04 и О могут принимать значения логического нуля и логической единицы, взаимное соответствие которых приведено в таблице (вместе с указанием требуемого, направления вращения ротора двигателя).4моток двигателя.При поступлении, сигнала Нь= 1 открываются транзисторы 24 и 26 и по обмотке возбуждения 35 и якорю 37 двигателя 34 протекает ток, приводящий его во вращение по часовой стрелке. При появлении сигнала Оь =1 открываются транзисторы 25 и 27 и по обмотке возбуждения 36 и якорю 37 25 двигателя протекает ток,приводящий его во вращение против часовой стрелки..В следящем приводе может быть применен другой тип двигателя - трех фазный асинхронный, при этом все элементы схемы фиг. 1 остаются беэ изменения, кроме усилителя 23. УсиЛитель для этого типа двигателя может быть реализован по схеме, приведенной на фиг. 2. Он содержит 4 одинаковых ключевых элемента 40-43. Как известно, для изменения направления вращения трехфазного асинхронного двигателя достаточно поменять местами две фазы сети, подходящие к любым двум выводам трехфаэной обмотки двигателя. В данной схеме при открывании ключевых элементов 4 1 и 42 вращение ротора двигателя проис ходит по часовой стрелке, при открывании ключевых элементов 40 и 43 - против часовой стрелки.Ключевой элемент работает следующим образом.50При протекании тока по входной цепи оптрона 44 сопротивление динистора, находящегося в его выходной цепи и шунтирующего диагональ диодного выпрямительного моста 45, 55 становится минимальным, и выпрямленное напряжение фазы через ограничительный резистор 47 поступает"л "йи второго элементов И 2 1 и 2 2 поступают на входы усилителя 23, в котором в качестве первого каскада использованы эмиттерные повторители, выполненные на транзисторах 24, 25 и резисторах 28-31. Силовой каскад усилителя выполнен на транзисторах 26, 2 и диодах 32, 33, шунтирующих обмотки двигателя 34, вал которого 10 через редуктор 38 соединен с объектом управления 39 и движком датчика 2 обратной связи. Диоды 32 и 33 защищают транзисторы 26 и 27 от перенапряжений, возникающих при их закры вании иэ-за наличия индуктивности обна управляюший электрод симистора 46. Открывание симистора 46 будет происходить в начале каждого пблупериода напряжения фазы. При прекращении тока через входную цепь оптрона 44 динистор оптрона и симистор 46 остаются открытыми до момента, пока очередная полуволна переменного напряжения не уменьшится до нуля, после чего происходит закрывание симистора.Следящий привод работает следующим образом.Процесс слежения начинается с отработки начального рассогласования, которое может находиться во всей области допустимых значений Н, Условно эту область можно разбить на три участка:1,Нь(фьН, 2,+ьН(О +ьН 3, Н ),ьН,В первом случае (см.фиг.3 и п.З таблицы)ротор двигателя, вращаясь по часовой стрелке, будет перемещать исполнительную ось, пока 0 Ь не достигнет величины +ьН , где произойдет отключение двигателя (п.2 таблицы).Во втором случае (фиг.З и п.2 таблицы) двигатель неподвижен.В третьем случае (фиг.З и п.4 таблицы) ротор двигателя, вращаясь против часовой стрелки, перемещает исполнительную ось, пока ОА не достигнет величины -ьО, где происходит отключение двигателя (см.фиг.З и п.1 таблицы).Таким образом, вне зависимости от величины и знака начального рассогласования система отработает его до величины ьО.Дальнейший процесс слежения происходит следующим образом.Рассмотрим случай, когда управляющее воздействие Н монотонно возрастающее. Как было показано, после отработки некоторого начального рассогласования, в зависимости от его знака, выключение двигателя произойдет при достижении Н величины -ьН 1 (точка 1 фиг. 4 а) либо величины +ь Н (точка 1 фиг, 4 о). Ротор двигателя и исполнительная ось будут неподвижны до тех пор, пока Оь не достигнет величины +ьО, (точка 2 фиг. 4 а) либо ф ьН (точка 2 фиг, 40), Здесь прои-, ,зойдет включение двигателя (см.фиг.Зи п,4 таблицы) и ротор двигателя вращаясь против часовой стрелки, перемещает исполнительную ось, пока ОА не достигнет величины - ьО, (точки 3 и 3 фиг. 4 о), где двигатель отклю чается (см.фиг.З и п.1 таблицы) и исполнительная ось остается неподвижной пока О снова не достигнет величины +ьО (точки 4 и 4 фиг, 4 с 1), Далее процесс будет аналогичным". включение двигателя будет осуществляться при Иьь", а отключение при 0 ь +ьО. Исключение составляет точка 2 фиг.4 д, где И,ь достигает значения ьО, что приводит к изменению направления вра щения ротора (после отработки начального рассогласования) при его последующих включениях.Рассмотрим случай, когда управляющее воздействие монотонно убывающее. 20 В зависимости от знака начального рассогласования после его отработки выключение двигателя произойдет при достижении И, величины +ьИ, (точка 1 фиг.4 Х) либо величины -ьО, (точка 1 фиг. 4 Б). Ротор двигателя будет неподвижен, пока Иь не достигнет величины -вЦ,(точка 2 фиг.4 Е) либо-ьИ(точка 2 фиг.41), Здесь произойдет включение двигателя (см.фиг.З и п,Э таблицы) и ротор, вращаясь по часовой стрелке, перемещает исполнительную ось, пока Ив не достигнет величины вь И(точки 3 и 3 фиг.4 Б), где двигатель отключается (см.фиг.З и п 1 таб лицы) и исполнительная ось остается неподвижной, пока ИЬ не достигает снова величины -ьО(точки 4 и 4 фиг 4 Б), Далее процесс будет аналогичен включение двигателя происходит при Иь 1 О=-ьИ, а отключение при ОЬьО,Исключение составляет точка 2 где Иь достигает величины -ь И , что привоцит к изменению направления вращения ротора (после отработки началь ного рассогЛасования) при его последующих включениях.При переходе управляющего воздействия от участка монотонного возрастания к монотонному убыванию (фиг,5 а) 5 О работа следящего привода происходит следующим образом. Пусть точка 1 на фиг. 5 ь последняя на участке монотонного возрастания И, где произошло отключение двигателя (см.фиг,З 55 и п,1 таблицы), Управляющее воздейст.вие, достигнув своего максимального значения в точке 2 (фиг. 5 а ), начинает монотонно убывать. Исполнительная ось будет неподвижной, пока 0 недостигнет величины - ьИ (точка 3фиг. 5 а ), где произойдет включениедвигателя и вращение ротора будет происходить по часовой стрелке (см.фиг. 3 и п.3 таблицы). В дальнейшемотработка будет происходит аналогично отработке на участке монотонного убывания.При переходе управляющего воздействия от участка монотонного убывания к монотонному возрастанию(фиг.5 Б) отработка его происходитследующим образом. Пусть точка 1 нафиг. 5 Б последняя на участке монотонного убывания, где произойдет отключение двигателя (см,фиг.3 и п.2таблицы). Управляющее воздействиедостигает своего минимума в точке 2(фиг. 5 Е) и затем начинает монотонновозрастать. Исполнительная ось будетнеподвижной, пока , не достигнет величины + ьО , где произойдет включениедвигателя с вращением ротора противчасовой стрелки (см,фиг.З и п.4 таблицы). В дальнейшем отработка управляющего воздействия будет происходитьаналогично отработке на участке монотонного возрастания,Таким образом, рассматриваемыйследящий привод при соответствующихэнергетических возможностях способенотработать любой тип изменяющегосяуправляющего воздействия с максимальной ошибкой - ьО,Кроме того,при одинаковости точностных характеристик предлагаемогоследящего привода и прототипа предложенная схема и алгоритм ее работыобеспечивают при прочих равных условиях минимум потребления тока, а также минимальное число включенийдвигателя в единицу времени, что повьппает ресурс работы двигателя и в. его привода в целом по сравнению с прототипом. Так, при изменяющемся управляющем воздействии О, двигатель включается в момент превышения величины рассогласования заданного порога, Очевидно, что в течение времени ь Твследствие инерционности системы нарастание скорости исполнительной оси до некоторого номинального значения будет происходить с запаздыванием. Поэтому в течение времени ь Т, величина Обудет превьппать значение порога, где произошло вклю 7 1270745 830 где ьТ- время, в течение которого величина рассогласования изменяется от ьИ до -ьО;- время, в течение которого исполнительная ось 35 неподвижна, а величинарассогласования изменяется от -ьО, до + ьИвследствие измененияуправляющего воздействия.В предлагаемой схеме величина ь 1 А4определяется из условия 45ь 11. 8 И ЬО где РИ - наибольшая из величин 8 Ои ИтКак правило, в реальных системах РИ 50 значительно меньше величины ьОследовательно, ьТ, ьТ сс ьТ ьТ иа и омуНа фиг. 6 приведены, временные диаграммы потребления тока двига теля в схеме прототипаи в рассматриваемой схеме Э , соответствующие отработке системами управляючение двигателя, на величину РИ (фиг. 6), Аналогично при выключении двигателя вследствие инерционности изменение скорости исполнительной оси до нуля будет происходить с 5 запаздыванием. Поэтому в течение некоторого времени ьТЬ, величина рассогласования будет меньше величины порога, при котором произошло отключение двигателя, на величину бИ1 О (фиг.6). Очевидно, что значения ЮИ и РО для прототипа и рассматриваемого привода при прочих равных условиях будут одинаковы. Отличие состоЙт в том, что включение двигателя в схеме прототипа происходит при превышении величины рассогласования порога ьО, а в предлагаемой схеме - порога 3 И а отключение двигателя в схеме прототипа происходит при достижении величины рассогласования того же порогаь И, а в предлагаемой схеме величины - ьИ, (фиг.6). Таким образом, частота включения двигателя в схеме прототипа составляет 25ьТ ьТ1 й щего воздействия. Из них видно, что в течение времени ь Т 2, когда якорь двигателя в схеме прототипа неподвижен, через двигатель все же протекает ток, так как силовые тиристоры попеременно открываются и закрываются. Среднее значение тока на этом участке диаграммы определяется периодом импульсов, поступающих.с генератора, а также соотношением активных и индуктивных сопротивлений обмоток двигателя. Таким образом, потребление тока происходит в течение всего времени работы системы.Из диаграммы для токав предлагаемой схеме (фиг. 6) видно, что в течение времени ьТоьТ , когда исполнительная ось неподвижна, двигатель не потребляет тока. Следовательно, при 1 1 средний ток, потребляемый двигателем от одного включения до другого, будет меньше, чем средний ток, потребляемый за тот же период в схеме прототипа.Проведенные испытания макетных образцов показали, что в зависимости от скорости изменения управляющего воздействия и величины устанавливаемого порога срабатывания +ьИ среднее значение потребляемого тока уменьшается на 25-5 О 7, а частота включения исполнительного двигателя уменьшается в 2-3 раза по сравнению с прототипом,Формула изобретенияСледящий привод, содержащий электродвигатель, сумматор, редуктор, усилитель, инвертор, задатчик и датчик обратной связи, подключенные соответственно к первому и второму входам сумматора, первый и второй выходы усилителя соединены соответственно с первым и вторым выводами обмотки возбуждения электродвигателя, якорь которого подключен к положительному выводу источника питания и первому входу усилителя, соединенного вторым входом с отрицательным выводом источника питания, вал электродвигателя кинематически соединен через редуктор с движком датчика обратной связи и объектом управления, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения ресурса работы привода и12снижения потребляемой мощности, в него введены последовательно соединенные пороговый элемент, выпрямитель, элемент И и последовательно соединенные второй пороговый элемент, второй выпрямитель, второй инвертор, второй элемент И, причем вход первого порогового элемента подключен к входу второго .порогового элемента и 70745 1 Овыходу сумматора, выход первого выпрямителя соединен через первый инвертор с вторым входом второго элемента И, выход второго выпрямителяподключен к второму входу первогоэлемента И, выходы первого и второгоэлемента И соединены соответственнос третьим и четвертым входами усили:теля.