Система позиционирования электропривода с энергетической оптимизацией при двухзонном регулировании скорости

(5) 5 6 ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ИДЕТЕЛ ЬСТВУ ВТ АНИЯ ЕСКОЙ ОМ РЕ(21) 4933404/24(71) Украинский государственный проектный и проектно-конструкторский институт "Тяжпромэлектропроект"(56) Авторское свидетельство СССР ЛЬ 1280572, кл. 0 05 В 19/18, 1985.Авторское свидетельство СССР В 1553955, кл. 6 05 В 19/18, 1987, (54) СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВ ЗЛЕКТРОПРИВОДА С ЭНЕРГЕТИЧ ОПТИМИЗАЦИЕЙ ПРИ ДВУХЗОНН ГУЛИРОВАНИИ СКОРОСТИ. (57) Изобретение относится к области автоматического управления и регулирования электропривода постоянного тока и предназначено для точной отработки рабочим органом заданного перемещения в течение заданного времени с минимальными потерями энергии в якорной цепи электродвигателя, Цель изобретения - повышение Изобретение относится к области автоматического управления и регулирования электропривода постоянного тока и предназначено для точной отработки рабочим органом заданного перемещения в течение заданного времени с минимальными потерями энергии в якорной цепи электродвигателя.Целью изобретения является повышение надежности системы за счет ее упрощенадежности системы за счет ее упрощения, Система позиционирования электропривода с энергетической оптимизацией при двухзонном регулировании скорости содержит блоки задания перемещения и времени перемещения, сумматор, .счетчики импульсов, блок ограничения частоты, формирователь импульсов, интеграторы, цифроаналоговый преобразователь, блоки ограничения амплитуд, блоки регулирования, двигатель, ключи, преобразователи частоты, генератор эталонной частоты, датчик потока, преобразователь аналог - код, преобразователь код-частота. Данная система1, позволяет сформировать оптимальную та-хограмму скорости, обеспечивающей мини-мум суммарных тепловых потерь по обеим зонам регулирования скорости, в ней используют только три заранее рассчитанных исходных параметра,. т,е. положительный эффект изобретения создается за счет сни жения стоимости оборудования и улучшения эксплуатационных характеристик системы. 3 ил. Функциональная схема предлагаемой системы приведена на фиг. 1; на фиг. 2 приведена функциональная схема блока фиксации параметров токовой диаграммы; на фиг.3 - .временные диаграммы основных параметров системы для случая отработки относительного перемещения р=7,2 в течение относительного времени т=6, Параметры на фиг. 3 представлены также в относительных единицах: ток 1-1/н, момент,и=М/М скорость д =в/вн, поток 1- Ф/ф, время т=к/Тн, 1820361перемещение р=а/ан, причем в качестве базовых для тока, момента, скорости и потока приняты их номинальные значения, для времени Тн=.) в, /М, для перемещения йн= иЪТн, где ) - приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции привода.Система содержит блок 1 задания перемещения, сумматор 2, первый счетчик 3 импульсов, первый преобразователь 4 код-частота, блок 5 ограничения частоты, формирователь 6 импульсов, первый интегратор 7, цифроаналоговый преобразователь 8, первый и второй блоки 9 и 10 ограничения амплитуды, первый и второй блоки.1 и 12 регулирования, двигатель 13 постоянного тока независимого возбуждения, импульсный датчик 14 перемещения, блок 15 задания времени перемещения, генератор 16 эталонной частоты, первый и второй ключи 17 и 18, первый и второй преобразователи 19 и 20 частоты, второй счетчик 21 импульсов, блок 22 сравнения кодов, блок 23 фиксации параметров токовой диаграммы, умножитель 24 кодов, второй интегратор 25, преобразователь 26 аналог - код, второй преобразователь 27 код - частота и датчик 28 потока.Система представляет собой многоконтурную систему автоматического регулирования и включает в себя аналоговый контур регулирования скорости, содержащий первый блок 11 регулирования, двигатель 13 и второй блок 10 ограничения амплитуды, цифровой контур регулирования скорости, содержащий замкнутый аналоговый контур регулирования скорости, импульсный датчик 14 перемещения, формирователь 6 импульсов, первый интегратор 7, цифроаналоговый преобразователь 8 и первый блок 9 ограничения амплитуды, цифровой контур регулирования положения, содержащий замкнутый цифровой контур регулирования скорости, сумматор 2, первый преобразователь 4 кодчастота, блок 5 ограничения частоты, и первый счетчик 3 импульсов, контур регулирования ЗДС двигателя, содержащий замкнутый аналоговый контур регулирования скорости; второй блок 12 регулирования и датчик 28 потока, канал задания оптимальной скорости, содержащий блоки 16.27 и воздействующий на блок 5 ограничения частоты, Код заданного перемещения й. формируется с помощью блока 1, а код заданного времени перемещения МТ и команда "Пуск" на начало перемещения формируются с помощью блока 15.Блок 23 фиксации параметров токовой диаграммы представляет собой элемент программируемой памяти, содержащий де 5 10 работки заданного перемещения;ЙК 1, ЙК 2 - коды значений производной 15 тока двигателя в первой и второй зонах регулирования скорости, При этом величины и и щ представляют собой диапазон возможных значений кодов соответственной и ИТ с учетом принятых дискретностей их пред ставления,Как и в прототипе, в данной системереализуется оптимал ь н ый, соответствующий минимуму суммарных тепловых потерь в электроприводе закон изменения скоро сти двигателя, Причем для повышения быс 30 55 35 40 45 50 шифраторы 29,1 и 29,2 и ячейки памяти, сгруппированные в 30.130.п страниц. При помощи дешифратора 29.1 по коду М заданного перемещения определяется номер страницы, а с помощью дешифратора 29.2 по коду МТ заданного времени перемещения определяется номер 1 гп ячейки в данной странице. Содержимое каждой ячейки памяти представляет собой совокупность параметров токовой диаграммы двигателя:%1 о - код максимального значения тока двигателя в начальный момент времени оттродействия при отработке средних и больших перемещений осуществляется двухзонное управление электроприводом с минимизацией суммарных тепловых потерь в обеих зонах регулирования скорости: до номинальной скорости путем регулирования напряжения, подаваемого на двигатель,а выше номинальной скорости путем регулирования магнитного потока двигателя. Каждому заданному перемещению(его код М) за заданное время Т (его код ИТ) соответствует единственная, оптимальная по сумме потерь в обеих зонах тахограмма. В соответствии с этой тахограммой электро- привод осуществляет два равных перемещения О за время Т (при разгоне и торможении) в первой зоне и перемещение Ы за время Тг во второй зоне (см. фиг. 3),Система позиционирования электро- привода с энергетической оптимизацией при двухзонном регулировании скорости работает следующим образом,В исходном состоянии счетчики 3 и 21 импульсов и первый интегратор 7 находятся в нулевом состоянии. Сигнал тока возбуждения 1 ь на выходе второго блока 12 регулирования соответствует номинальному потоку двигателя, сигнал Сз задания скорости на выходе первого блока 9 ограничения амплитуды равен нулю и двигатель 13 злектропривода находится в состоянии покоя,Из блока 1 задания перемещения код К. заданного положения подается на первый вход сумматора 2, На выходе сумматора 2 возникает код рассогласования М 4, ко(2) ЙМ йфй 4 Ъ,(3) торый подается на вход первого преобразователя 4 код-частота. На выходе преобразователя 4, имеющего линейную характеристику, воэиикают импульсы, следующие с частотой з, величина которой пропорциональна коду рассогласования ЬЙ., Импульсы частоты 1 з поступают на первый вход блока 5 ограничения частоты. На выходе блокз 5 возникают импульсы, частота 14 следования которых равна частоте Ьгр импульсов, поступающих 10 на его второй вход с выхода второго преобразователя 27 код-частота. Вырабатываемые блоком 5 импульсы суммируются в первом интеграторе 7, выходная величина МЧ которого преобразуется цифроаналоговым преобразователем 8 в напряжение Оз задания скорости, которое через первый блок 9 ограничения амплитудй подается на первый вход первого блока 11 регулирования,управляющего напряжением двигателя 13, 20При этом двигатель начинает разгоняться,импульсныйдатчик 14 перемещения начинает выдавать импульсы, частота 1 д следо- . вания которых пропорциональна скорости перемещения рабочего органа электропривода. Эти импульсы через формирователь 6 импульсов подаются на второй вход первого интегратора 7 и являются сигналом обратной связи в цифровом контуре регулироваНия скорости. С выхода формирователя 6 импульсы подаются также на вход первого счетчика 3 импульсов, производящего их суммирование. На выходе счетчика 3 код МЬр представляет собой фактическое положение рабочего органа электропривода и является сигналом . 35обратной связи в цифровом контуре регулирования положения,В процессе отработки заданного перемещения разгон и торможение двигателя 13 осуществляются в соответствии с величиной сигнала Ьр заданной скорости, отрабатываемого в первой зоне по каналу управления напряжением двигателя, а во второй зоне по каналу управления полем двигателя цифровым контуром регулирования скорости. При этом суммарное число импульсов частоты 1 ор за цикл позиционирования в точности соответствует коду Й 1. заданного перемещения. Частота Фогр является выходным сигна лом канала задания оптимальной скорости .и формируется следующим образом. В исходном состоянии второй счетчик 21 импульсов удерживается в нулевом состоянии и второй интегратор 25 также находится в нулевом состоянии, Нулевое значение кода ЙЧз задания скорости подается, на входы блока 22 сравнения кодов и второго преобразователя 27 код-частота. При этом на первом выходе блока 22 имеется "единичный", а на втором - "нулевой" сигналы, которые подаются на управляющие входы соот.- ветственно первого 17 и второго 18 ключей. На выходе преобразователя 27 код-частотз частотный сигнал 1 огр задания оптимальной скорости равен нулю. Аналоговый сигнал Офн датчика 28 потока преобразователем 26 аналог-код преобразуется в код ЙФй, соответствующий номинальному потоку двигателя, который подается на первый вход умножителя 24 кодов, С выходов блоков 1 и 15 коды М. и ЙТ соответственно заданных величин перемещения и времени перемещения подаются на входы блока 23 фиксации параметров токовой диаграммы. Нз выходе блока 23 формируются код Юю максимального значения тока двигателя в на. чальный момент отработки перемещения, подаваемый на кодовый вход второго счетчика 21 импульсов. а также коды ЙК 1 и ЙК 2 производных дийэмического тока в первой . и во второй зонах регулирования скорости, которые подаются на кодовые входы соответственно первого и второго преобразователей 19 и 20 частоты. По команде "Пуск", соответствующей началу цикла отработки перемещения, подаваемой на установочный вход второго счетчика 21 импульсов; в него заносится код й 1 о и счетчик 21 импуль-. сов переводится в режим вычитания поступающих на его счетные входы импульсов. С выхода генератора 16 эталонной частоты через первый ключ 17 импульсы частотй 1 о поступают на частотный вход первого преобразователя 19 частоты, на выходе которого частота импульсов определяется .выражением Эти импульсы поступают на первый частотный вход второго счетчика 21 импульсов, выходной код которого изменяется по линейному закону в соответствии с выраже- нием й Й 11 о-б 1 Й 11 оойК 1т,гдето- текущее время.Код Й 1, пропорциональный заданному динамическому току двигателя, умножается умножителем 24 кодов нэ код ЙФй, в результате чего на его выходе формируется код ЙМ, пропорциональный заданному динамическому моменту двигателя, в соответствии с выражением(8) С выхода умножителя 24 код ЙМ подается йа вход второго интегратора 25, на выходе которого формируется код ЙЧз задаваемой оптимальной скорости в соотяетствии с выражением которое с учетом выражений (2) и (3) сводится к виду рЧ щ 1 о ЙФ.ЙФ.р (5)ЙЧзгде Ти - постоянная времени интегрирования, пропорциональная моменту инерции привода.Код ЙЧз преобразуется преобразователем 27 код-частота в частотный сигнал Ьгр, пропорциональный задаваемой оптимальной скорости: где Кг- коэффициент пропорциональности. Пренебрегая динамической ошибкой в скорости, можно записатьогр = -(7)Чб. где Ч - скорость перемещения рабочего органа привода;01- принятая дискретность задания перемещения, т.е. цена импульса на выходе датчика 14 импульсов.Из соотношения (7) в учетом выражений (6) и (5) можно получить следующее выраже. ние для скорости. Выражение (8) показывает, что движение привода в первой зоне регулирования скорости осуществляется по отрезку.,оптимальной параболической тахограммц. В момент времени Т 1, когда электро- привод, разгоняясь в первой зоне, достигнет номинальной скорости, на выходе второго интегратора 25 код ЙЧз становится равным коду ЙЧи, Соответствующему номинальной скорости. При этом на первом выходе блока 22 сравнения кодов сигнал примет "нулевое" значение. а на втором выходе- "единичное", в результате чего первый ключ 17 закрывается, а второй ключ 18 открывается. С этого момента времени им пульсы частоты 1 о с выхода генератора 16поступают через ключ 18 на вход второго преобразователя 20 частоты, выходной сигнал которого определяется выражением Импульсы частоты 12 поступают на второй вход второго счетчика 2.1, в результате чего его выходной код изменяется по линей ному закону в соответствии с выражением Й=Й 112-тгт=Й 12-тоф ЙК 2 т, (10) где %12 - код счетчика 21, зафиксированный 20 в момент времени Т 1 и равный в соответствии с выражением (2) величине 25 С учетом уравнения (11) выражение (10) принимает вид Й=Й 11 оо" ЙК 1 Т 1-1 офЙКг т, (12) 30 Начиная с момент времени Т 1, соответствующего началу второй эоны регулирования скорости, второй блок 12 регулирования на основе информации о величине магнитного потока двигателя и его скорости под держивает постоянство ЭДС двигателя,снижая ток возбуждения и ослабляя магнитный поток обратно пропорционально скорости привода, В результате этого на выходе датчика 28 потока сигнал Оф, а также код 40 Йф на выходе преобразователя 26 аналогкод изменяются обратно пропорционально скорости привода. При этом величина кода ЙФ определяется выражением где Фм, Чн - номинальные значения потока двигателя и. Скорости привода.50 Так как скорость приводаво второй,зоне "выше номинальной,то на, входах первого блока 11 регулирования, управляющего напряжением двигателя, сигналы задания и обратной связи по скорости ограничены при 55 помощи первого и второго блоков 9 и 10ограничения амплитуд до уровня, соответствующего номинальной скорости,Величина кода ЙМ,пропорциональногодинамическому моменту, определяетсявы(16) Ч=Кфд 1.ф ЙЧз 35 няются таким образом, чтобы устранитьрассогласование. По достижении величиной . кода Й.ф фактического положения рабочего 40 45 50 ражением МЙ=Й ф ЙФ, которое с учетомуравнений (11) и (12) имеет вид ф ЧнЙМ=ЙФй - (Й 10-йгЙК 1 е Т 1- Ч а код задания скорости равен 1 ЧнЙЧЗ= / ЙМ(т)б 1=ЙФй - Й 10. т 1-Ьо ЙК Т 1)атфЙК 22 1+С, (15) где С - постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий, соответствующих моменту времени Т 1.В соответствии с выражениями (6) и (7) можно эапиИать Учитывая соотношение (16), из выражения (15) находим закон изменения скорости привода во второй зоне регулирования Ч=ЯК дь Чн Йфн(Й 10-1 о 2 1ЙК 1 Т 1)т то ЙК 2)+С )2,2 Как и при регулировании скорости в первой зоне, цифровой контур регулирования положения при регулировании скорости во второй зоне также контролирует отработку заданного перемещения, так как при этом на входы первого интегратора 7 поступают задающий частотный сигнал Ьгр и в качестве обратной связи частотный сигнал 80 фактической скорости рабочего органа электропривода во второй зоне регулирования скорости.В момент времени т=Т 1+Тг, когда электропривод, снижая скорость при регулировании во второй зоне, достигает номинальной скорости (см. рис. 3), выходной код ЙЧз второго интегратора 25 достигает величины ЙНн и блок 22 сравнения кодов на выходах формирует сигналы, соответствующие обратному переходу от второй зоны к первой зоне регулирования скорости, а именно по сигналу с второго выхода второй ключ 18 закрывается, а по сигналу с первого выхода первый ключ 17 открывается.Работа системы на спадающем участке параболической тахограммы при регулиро 5 10 15 20 25 30 вании скорости в первой зоне принципиально ничем не отличается от рабогы системы на восходящем участке этой тахограммы, Отличие заключается только в том, что прч движении на спадающем участке параболической тахограммы начальное значение выходного кода второго счетчика 21 равно Й 21=-Й 12 (см. фиг. 3).В момент времени т=2 Т 1+Тг, когда электропривод, двигаясь по спадающему участку параболической тахограммы в первой зоне регулирования скорости, достигнет нулевой скорости, выходной код Й второго счетчика 21 достигает величины -Й 10, а выходной код второго интегратора 25 уменьшается до нулевого значения, При этом блок 22 сравнения кодов выходным сигналами блокирует действие канала формирования оптимальной по тепловым потерям двухзонной тахограммы электроп ривода.В конце цикла отработки заданного перемещения при Ьор=О сигнал ограничения блокируется, а контроль отработки заданного перемещения осуществляется цифровым контуром регулирования положения. В этом случае при наличии ошибки в позиционировании, например, из-за инерционности контура регулирования, скорости или из-эа Наличия статической нагрузки, на вход первого интегратора 7 через блок 5 ограничения частоты поступают импульсы частоты 1 з. Код ЙЧ на выходе первого интегратора 7, а следовательно, и сигнал Оз на выходе йервого блока 9 ограничения амплитуды измеоргана электропривода значения Й кода заданного перемещения рассогласование становится равным нулю и рабочий орган электропривода останавливается в заданном положении.Таким образом, в отличие от прототипа в предлагаемой системе для формирования оптимальной тахограммы скорости, обеспечивающей минимум суммарных тепловых потерь по обеим зонам регулирования скорости, используются только три (вместо семи в прототипе) заранее рассчитанных исходных параметра, а регулирование потока двигателя осуществляется простым традиционным способом путем поддержания постоянства ЭДС двигателя в соответствии с ее номинальным значением. Это дало воэможность по сравнению с прототипом заменить блок фиксации параметров тахограмм на более простой (с уменьшенным более чем вдвое объемом памяти) блок фиксации параметров токовой диаграммы и, что более существенно, вообще устранить сложныйцифровой блок задания поля двигателя, имеющий трехмерную органиэацию программируемой памяти, что привело к существенному упрощению устройства и повышению его надежности. Поэтому положительный эффект от применения изобретения создается за счет снижения стоимости оборудования и улучшения эксплуатационных характеристик системы. фо р мула изобретен и я Система позиционирования электро- привода с энергетической .оптимизацией при двухзонном регулировании скорости, содержащая блок задания времени перемещения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выходом подключенного к входу первого преобразователя код-частота, выход которого соединен с первым входом блока ограничения частоты, выходом подключенного к первому входу интегратора, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом первого блока ограничения амплитуды, первый блок регулирования, двигатель, импульсный датчик перемещения, формирователь импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого интегратора, первый счетчик импульсов, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход первого блока ограничения амплитуды соединен с первым входом первого блока регулирования, последовательно соединенные генератор .эталонной частоты, первый ключ, управляющий вход которого подсоединен к первому выходу блока сравнения кодов, первый преобразователь частоты и второй счетчик импульсов, а также второй блок регулирования, выход которого подключен к второму входу двигателя, выход которого соединен с входом4 второго блока ограничения амплитуды, выход которого подсоединен к второму входу первого блока регулирования, второй ключ и второй преобразователь частоты, о т л и ч а 5 ю- щ а я с я тем, что, с целью повышениясистемы за счет ее упрощения, в нее введе ны блок фиксации параметров токовой диаграммы, первый и второй входы задания которого подключены соответственно к выхо ду блока задания перемещения и к первомувыходу блока задания времени перемещения, последовательно соединенные умножитель кодов, второй интегратор и второй преобразователь код - частота, выход которо го подсоединен к второму входу блока ограничения частоты, а также датчик потока, вход которого подсоединен к выходу второго блока регулирования, выход подключен к первому входу второго блока регулирования 20 и к входу преобразователя аналог - код, выход которого соединен с первым входом умножителя кодов, второй вход которого подсоединен к выходувторого счетчика импульсов, установочный вход которого под ключен к второму выходу блока заданиявремени перемещения, кодовый вход соединен с первым выходом блока фиксации параметров токовой диаграммы, а второй счетный вход подсоединен к выходу второго ЗО преобразователя частоты, частотный входкоторого подключен к выходу генератора эталонной частоты через второй ключ, управляющий вход которого соединен с вторым выходом блока сравнения кодов; вход 35 которого подсоединен к выходу второго интегратора, второй и третий выходы блока фиксации параметров токовой диаграммы подключены к кодовым входам соответственно первого и второго преобразователей 40 частоты, а второй вход второго блока регулирования соединен с выходом двигателя.(а 06 Редакто П. Гереш едотов каз 2030 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям приГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская нэб., 4/5 извод енно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 10 оставит хред М И, Розовгентал Кор