Система позиционирования с двухзонным регулированием скорости электропривода

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 17987 о 5 А 05 В 19 УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТОМСТВО СССРСПАТЕНТ СССР) О НИЕ ОБР ТЕ СТВ ОРСКО СВИД ике автоированияи пред- рабочим еремещеи с миниякорной ышение области(71) Украинский государственный проектный и проектно-конструкторский институт ."Тяжпромэлектропроект"(56) Авторское свидетельство СССР М 447684, кл. 8 05 В 11/26, 1974,Авторское свидетельство СССР М 1198460, кл. 6 05 В 19/18, 1984.(54) СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С ДВУХЗОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА(57) Изобретение относится к технике автоматического управления и регулирования, а именно к системам позиционирования. Цель изобретения - повышение экономичности при расширении области применения. Система позиционирования обеспечивает отработку заданного перемещения рабочего органа механизма в течение заданИзобретение относится к техн матического управления и регул электропривода постоянного тока назначено для точной обработки органом механизма заданного и ния в течение заданного времен мальными потерями энергии в цепи электродвигателя,Целью системы является по экономичности при расширении применения.ного времени, При этом скорость электро- привода изменяется по симметричному трапецеидальному графику путем двухзонного управления двигателем постоянного тока. В первой зоне регулирование скорости осуществляется за счет изменения напряжения, подводимого к якорю двигателя, во второй зоне - за счет изменения магнитного потока двигателя. Отработка перемещений осуществляется с минимизацией суммарных (в обеих зонах) . тепловых потерь в якорной цепи двигателя. Это достигается за счет дополнительного, в сравнении с прототипом, введения в систему блоков вычисления ускорения, . скорости и пути, а также цифрового компа. ратора, коммутатора кодов, задатчика константы и блока умножения, с помощью которых вычисляется Оптимальное Значе.ние ускорения при разгоне (торможении) и формирование требуемого графика скорости электропривода, 5 ил. На фиг.1 приведена функциональная схема системы; на фиг.2- тахограмма привода при отработке различных перемещений за данное время перемещения; на фиг,3,4,5- примеры выполнения блоков, вы- а числения пути, скорости и ускорения,Система содержит блок 1 задания перемещения, сумматор 2, первый счетчик 3 импульсов, преобразователь 4 код - частота, блок 5 ограничения частоты, формирователь 6 импульсов, интегратор 7, цифроаналоговый преобразователь 8, блок 9 регулирова(б) 3ния напряжения якоря двигателя, двигатель10, блок 11 регулирования тока возбуждения двигателя, датчик 12 перемещения,блок 13 задания времени перемещения, генератор 14 эталонной частоты, ключ 15, второй и третий счетчики 16,17 импульсов, блок18 сравнения кодов, преобразователь 19 частоты, блок 20 вычисления скорости, блок 21вычислейия ускорения, блок 22 вычисленияпути, цифровой компаратор 23, коммутатор24 кодов,. задатчик 25 койстанты и блок 26умножения, - = -Функциональная схема блока 20 вычисления скорости приведена на фиг,4. Блоксодержит масштабнйй элемент 27 и делитель 28,Функциональная схема блока вычисления пути 22 приведена на фиг,З, Блоксодержит умножители 29,30,31, делители 32,33сумматоры 34,35, масштабные элементы36,37 и элемент 38 квадратноо корня, Навыходе сумматора 34 формируется величина подкоренного выраженйя в соотношении(4). На выходе сумматора 35 формируетсявеличина, заключенная в скобки в соотношении (4), а навыходе умножителя 31 формируется величина путиразгона(торможения) в соответствии с соотношени. ем(4).Функциональная схема блока вычйсления ускорения 21 приведена на фиг.б. Блоксодержит умножители 3959, масштабныеэлементы 6065, сумматора 66,67, компараторы 68,69, одновибратор 70, генератор 71импульсов; ключ 72; счетчик импульсов 73 итриггер 74.Система представляет собой многоконтурную систему автоматического регулирования и включает.в себя: аналоговый контуррегулирования. скорости, содержащий блоки 9,11 и двигатель 10; цифровой контуррегулирования скороСти, содержащий замкнутый аналоговый контур регулированияскорости, цифровой регулятор скорости, выполненный с помощью интегратора 7 и цифроаналоговогопреобразователя 8, а такжедатчик 12 перемещения и формирователь 6импульсов; цифровой контур положения,содержащий замкнутый цифровой. контуррегулирования скорости, регулятор положения, выполненный с помощью сумматора 2,преобразоаателя 4 код-частоты и блока 5ограничения частоты, а также первый счетчик 3 импульсов; контур задания скорости,содержащий блоки 14-26, Коды заданногоперемещения и заданного времени перемещения формируются с помощью блоков 1 и13 соответственно,Снижение тепловых потерь в якорнойцепи двигателя обусловлено следующим. При отработке заданного перемещения путем изменения скорости механизма по любой симметричной трапецеидальной тахограмме имеет место соотношение;5Ь = акр + атр(ь - 2 тр),2 где Ь - заданная величина перемещения,тп - заданное время перемещения,10 а - ускорение при разгоне (торможении),тр - время разгона (торможения),Из соотношения (1) величина ускоренияопределяется выражением15. из которого можно найти величину времени20 разгона до максимальной скорости ьтр = -р ( 1 1 2 ) (3)1 й ди величину пути разгона до максимальной25скорости а ь 12зо " г г( -)1 -й а При двухзонном регулировании скорости ток двигателя "в первой зоне разго не дономинальной скорости определяетсявыражением 40 где 1 - коэффициент пропорциональности. Ток двигателя во второй зоне при разгоне от номинальной до максимальной Омскорости определяется выражением 45 где Ч" ас - текущее значение скорости, 50 т - текущее значение времени,Потери энергии в якорной цепи двигате- ля 0=2 Г,(Ц 1 най) (7),551 нгдето - время разгона привода до номинальной скорости,Подставляя е (7) значение тока в соответствии с (5) и (б) и значение времени разгона в соответствии с (3), получим, 42 4 .п 3 + 4 3аФункция 0 имеет экстремум по а и для определения оптимального значения ускорения, минимизирующего величину тепловых потерь, необходимо взять производную от выражения (8) и приравнять ее нулю-16 иЧн = 06Оптимальное значение ускорения определяется из уравнения (9) также при отработке пеРемещений с максймальной скоростью, не превышающей значение Чн. При этом в уравнении (9) вместо величины Чн следует подставитьзначение максимальной скорости, вычисленное по известной формуле, приведенной в описании прототипа 1,51 иЧмЬ(10) Справедливость этого утверждения можно легко проверить, подставив в уравнение (9) значение оптимального ускорения электропривода, работающего без ослабления поля, которое определяется по известной формуле, приведенной также в описании прототипа Система работает следующим образом. В исходном состоянии на выходе блока 1 задания перемещения код заданного перемещения равен нулю, Первый счетчик 3 импульсов и интегратор 7 находятся в нулевом состоянии, сигнал задания скорости на выходе цифроаналогового преобразователя 8 равен нулю и двигатель 10 электропривода находится в состоянии покоя. Блоком 11 регулирования тока возбуждения двигателя в обмотке возбуждения поддерживается ток, соответствующий номинальному потоку.Введенный в блок 1 задания перемещения код 41 заданного перемещения подается на первый вход сумматора 2. На выходе 1 р г а - 2 г (И снг бс) -2г гяК н Ч 24 Ь (2 ьзЧн + ЬР) а - 25 Ь(2 ь Чн + 3 и-у а +72 тп 3 п Чн а +41 п Чн а -3 3 2 3 2 2 6, сумматора возникает код рассогласования Л, который подается на вход преобразователя 4 код - частота, имеющего линейную ха- рактеристику. На выходе преобразователя5 возникают импульсы, следующие с частотой1 п, величина которой пропорциональна коду рассогласования Ж . Эти импульсы поступают на первый вход блока 5 ограничения частоты, на выходе которого возникают10 импульсы, следующие с частотой 1 з равнойчастоте 1 з импульсов, поступающих на его второй вход с выхода блока 19 преобразователя частоты. Вырабатываемые блоком 5 импульсы суммируются в интеграторе 7, вы 15 ходной код Ип которого преобразуется цифроаналоговым преобразователем 8 в напряжение Оз задания скорости. Это напряжение подается на вход блока 9 регулирования напряжения якоря двигателя, При20 этом двигатель начинает разгоняться, датчик 12 перемещения начинает выдавать импульсы, частоты 1 ц следования которых пропорциональна скорости вращения двигателя, Эти импульсь 1 через формирователь25 б подаются на второй вход интегратора 7 иявляются сигналом обратной связи в цифровом контуре регулирования скорости. С выхода формирователя 6 импульсы подаются также на вход первого счетчика 3 импуль- . 30 сов.осуществляющегоихсуммирование, Навьходе счетчика 3 код Ьр представляет собой фактическое положение рабочего органа механизма и является сигналом обратной связи в контуре регулирования по ложения, В процессе отработки заданногоперемещения разгон и. торможение элект- .ропривода осуществляются в соответствии с величиной сигнала тз заданной скорости, отрабатываемого цифровым контуром регу лирования скорости, при этом количествоимпульсов частоты Ь соответствует заданной величине перемещения. В случае превышения скоростью двигателя номинального значения блоком 11 осуществляется 45 снижение тока возбуждения с тем, чтобыобеспечить постоянство ЭДС во второй зоне регулирования.В конце цикла отработки заданного перемещения при 1 з = 0 контроль отработки 50 осуществляется цифровым контуром положения. При наличии ошибки в позиционировании (например, из-за инерционности контура регулирования Скорости или из-за наличия статической нагрузки) на вход ин тегратора 7 через блок 5 поступают импульсы Ь, Код на входе интегратора, а следовательно, и сигнал Оз на выходе цифроаналогового преобразователя 8 изменяется таким образом, чтобы устранить5 10 15 20 25 30 40 45 50 55ется таким образом. чтобы устранить рассогласование. При достижении величиной Еф значения Ь рассогласование Ж. становится равным нулю и электропривод останавливается в заданном положении,Реализацию оптимальной соответствующей минимуму тепловых потерь в электро- приводе трапецеидальной тахограммы обеспечивает контур задания скорости, который работает следующим образом, В исходном состоянии второй и третий счетчики 16,17 находятся в нулевом состоянии, коды заданного перемещения и заданного времени перемещенияп и тп равны нулю, сиг- нал на выходе преобразователя 19 частоты равен нулю, ключ 15 закрыт.Введенные в блок 1 задания. перемещения и в блок 13 задания времени перемещения кода (.и и 1 н подаются в контур задания скорости, При этом блоком 20 вычисляется максимальное значение скорости в соответствии с выражением(10), С выхода блока 20 код Чм подается на первые входы. коммутатора 24 кодов и цифрового компаратора 23, сравнивающего этот код с кодом номинального значения скорости Чн, поступающего на второй вход компаратора с выхода задатчика 25 константы. В случае, если код Чм превышает . значение кода Чн, на выходе компаратора 23возникает сигнал, разрешающий прохождение кода Чн через коммутатора 24 кодов на третий вход блока 21 вычисления ускорения, На первый и второй входы блока 21 подаются коды 1.п и 1 п заданных величин перемещения и времени перемещения, При 35 поступлении на вход блока 21 кода Ьп и заданного перемещения на выходе компаратора 69 возникает "единичный" сигнал, в результате чего на выходе одновибратора 70 формируется импульс, устанавливающий счетчик 73 в нулевое состояние, а триггер 74 в "единичное". В результате этого на выходе счетчика 74, который является и выходом блока 21, код величины ускорения а равен нулю, а на выходе сумматора 67 код равен величине последьнего члена части уравнения (9), т.е, - 16 ЬЧн . При этом на выходе компаратора 68 сигнал имеет "нулевое". значение, "Единичный" сигнал. триггера 74 открывает ключ 72, через который на вход счетчика 73 с выхода генератора 71 начинают поступать импульсы, На выходе счетчика 73 код начнет возрастать,:в результате чего на выходах умножителей 43,45,50,55 будут формироваться коды, равные соответствен. - но первому, второму, третьему и четвертому членам левой части уравнения (9). Эти коды подаются с соответствующими знаками на входы сумматора 67 и в момент времени, когда их алгебраическая сумма будет равнанулю, т.е. удовлетворяется уравнение (9),на выходе компаратора 68 возникает "единичный" сигнал, который установит триггер 74 в "нулевое" состояние. При этом ключ 72 закроется, а на выходе счетчика 73 будет зафиксирован код ускорения а, величина которого соответствует минимуму тепловых потерь в якорной цепи электропривода при двухзонном регулировании скорости,В результате решения уравнения (9) на выходе блока 21 формируется код ускорения а, соответствующий минимуму тепловых потерь в электроприводе, Код а, а также коды 1 и и тп подаются на входы блока 22,который производит вычисление кода р величины пути разгона (торможения) в соответствии с выражением (4), Кодр подается на третий вход блока 18 сравнения кодов, на второй вход которого подается код Ьт текущего значения заданного перемещения с выхода третьего счетчика импульсов 17, При (.р (.зт на первом выходе блока 1 возникает сигнал, открывающий ключ 15, а на втором выходе - сигнал, соответствующий работе второго счетчика 16 в режиме сложения импульсов. С выхода генератора 14 эталонной частоты импульсы с частотой 10 поступают на вход счетчика 16, выходной код которого начинает увеличиваться в соответствии с выражением;(12) Мт=Ь т Этот код, а также код а ускорения подаются на входы блока 26 умножения, на выходе которого формируется код произведенияуказанных величин в соответствии с выражением Ит= Кт Мт а (13) З= о%,которое с учетом (12) и (13) имеет вид: тЗ = то К 1дт (14)С выхода преобразователя 19 импульсы с частотой 1 з поступают на третий счетчик 17,где Кт - коэффициент пропорциональности, зависящий от принятых дискретностей измерения времени и пути,С выхода блока 26 умножения код Мс подается на управляющий вход преобразователя 19 частоты, на частотный вход которого подаются с частотой Го импульсы с выхода генератора 14 эталонной частоты, На выходе преобразователя частотный сигнал изменяется в соответствии с выражением;1 эт =, 7 зй - Т (15)гоКГЭ 252 работающий в режиме сложения. Выходной ный сигнал. задания скорости по.оптималькод этого счетчика изменяется в соответст- ному трапецеидальному графику, обеспечи.вии с выражением вающему минимум тепловых потерь вякорной цепи электропривода с двухзонным регулированием скорости.Введенные в систему дополнительныеблоки 20,21,22,26 представляют собой, наВ момент времени, соответствующийпример, устройства, выполняющие а ифмеокончанию разгона, когда величина ода Ьт . ц 23тические операции по заданной прог амме,станет равной величине кодар, на первом10 Цифровой компаратор 23 представляет совыходе блока 18 сравнения кодов возникаетбой известную логическ ю схем, выполсигнал, запрещающий прохождение им- ненную на мажоритарных элементах.пульсов через ключ 15 на вход счетчика 16,Коммутатор 24 кодов представляет собойэтого момента ко й нанабоР УпРавлЯемых ключей, а задатчик 25на выходе этогосчетчика остается неизменным, в результа 15 константы - набор тумблеров или пе еклю - р у еров или переключателей.те чего частота 1 з импульсов сигнала задания скорости также остается постоянной,Формула изобФ р у 3 бретениячто соответствует равномерному движениюпривода с максимальной скоростью,ным регулированием ско ости элект оп иВ момент времени, соответствующий20 вода, содержащая блок задания в еменид, д р щ блок задания времениначалу торможения, когда код Ьт на выходеперемещения, блок задания пе еме ения,счетчика 17 станет Равным величине- 1 выход котоРого соединен с первым входомна первом выходе блока 18 сравнения кодовсумматора, выход кото ого подключен квходу преобразователя код-частота, выхоснова появляется сигнал Открывающий - м О25 дом соединенного с входом блока ограниче, а на втором выходе - сигнал, переключаощий счетчик 16 на работу в режимения частоты, выход кото ого сое инен сГч первым входом интегратора, цифроаналоговыходе счетчика 16 и частота 1 з импульсоввый преобразователь, вхо ом по ключенсигнала Задания скорости на выхоДе, преоб.разователя 19 частоты начинают умень 30 первому входу блока регулирования напряшаться, В момент времени, соответству- жения якоРя двигателя, а также двигатель,ющий окончанию торможения, когда код- соединен вТорым входомвыход которого соединен с вто ым вхо омстанет равным коду заданного перемещо- бо Реулирования напряжения якоряния Ь, на первом выходе блока 18 сравнения кодов возникает сигнал закрывающий 35 тока возбуждения двигателя, выход котороключ 5 На этом цикл работы контура зада- " "единен вторым. водом двиГателя,ния скорости заканчивается. При отработке кроме того. Датчик перемещения и формиперемещения с максимальной скоростью, р У со вь ход которого соедирователь импульсов, выхо кото ого сое ине превышаощей номинальную скорость. нен с вторым входом интег ато а, пе выйпривода, работа контура задания скоростиоличаеся от описанной лищь тем что на нен с вторым входом сумматоравыходе цифрового компаратора 23 форми второй и третий счетчики импульсов, блокРуется сигнал, по которому с выхода блока Раеия кодов, преобразователь частоты20 на третий вход блока 21 проходит через и генеРатоР эталонной частоты, выход котокоммутатор 24 код максимальной скоростл, 45 Рого соединен с информационньм входомвычисленный в соответствии с выражением ключа управляющий вход которого соедиМ нен с первым выходом блока сравнения коНа ф 1 Г.2 показаны тахОГ эммы 27 28 дов, второй выход котороГО соединен спри отработке перемещений с максимальуправляющим режимом вхо омюй 2 50 счетчика импУльсов, пеРвый вхоД блокаботке перемеще ий с максимальной сравнен якодовподключенквыходублокаскоростью ЧиЧн с ослаблением магнитно- д Р еще 1 я, а второй влод - кзадания пе емец ения а вто ой вхоГО пОлЯ 30 при Отработке такоГО же пере. ещения как и для тахогр ммы 29, но без вход КОТОРО о соединен с втоР вхо 55 дом блока ограничения частоты и с выходомосла ления магнитного поля для сравнепреобразователя частоты, о т л и ч а ю щ а яТаким образом, в течение Отработки за- с я тем, что, с целью повышения экономичданного перемещения за заданное время ности при Расширении области применеконтуо задания скорости формирует частотее дополнительно введеныцифровой компаратор, коммутатор кодов, 1798765, ул,Гагарина, 10 Заказ 772 Тираж ПодпиВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и отроизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж еытиям при ГКНТ С