Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Общая характеристика замкнутых схем управления
Замкнутые схемы управления электроприводов применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокие показания качества исполнительных органов рабочих машин, т. е. большой диапазон регулирования координат и точность их поддержания, заданное качество переходных процессов, оптимальное функционирование технологического оборудования и электропривода.
Чтобы обеспечить такое управление, в структуру электропривода должны входить: силовой управляемый полупроводниковый преобразователь энергии-выпрямитель, регулятор напряжения, преобразователь частоты, а сама схема управления строится с использованием обратных связей по регулируемым координатам.
Большинство современных замкнутых систем управления обладают возможностью гибкой настройки их параметров, программированием и пере- программированием алгоритмов управления электропривода, возможностью диагностики работы технологического оборудования и электропривода, что обеспечивается применением микропроцессорных средств управления.
Тема 4.1 Схемы управления с двигателями постоянного тока
Для получения значительных диапазонов и высокой точности регулирования скорости требуется иметь достаточно жесткие характеристики в системе „ преобразователь-двигатель“(ПД). Такие характеристики могут быть получены только в замкнутой системе. Рассмотрим принципы построения и действия замкнутых схем регулирования координат с использованием обратных связей.
Замкнутая система П-Д с отрицательной обратной связью по скорости
ДПТНВ
Основу данной системы составляет разомкнутая система П-Д. На валу двигателя находится датчик скорости-тахогенератор ТГ (рис.4.1,а), выходное напряжение которого Uтг=γω, пропорциональное скорости двигателя, является сигналом обратной связи. Коэффициент обратной связи по скорости γ может регулироваться за счет изменения тока возбуждения тахогенератора Iвтг.
Сигнал обратной связи Uтг сравнивается с задающим Uзс, и их разность в виде си с коэффициентом усиления kу усиливает сигнал рассогласования Uвх и подает его в виде сигнала управления Uу на вход преобразователя П. В качестве преобразователя в схеме используется управляемый выпрямитель. Усилитель является пропорциональным регулятором скорости.
Рис.4.1Схема (а) и характеристики (б) замкнутой системы с обратной связью по скорости
Для получения формул характеристик двигателя в замкнутой системе воспользуемся выражениями для электромеханической ω(I) и механической ω(M)характеристик двигателя в разомкнутой схеме и соотношениями, следущими из рис.4.1,а:
Uв = Uзс─ γω; (4.3)
Uу = ky Uвх ; (4.4)
Еп= kп Uу ; (4.5)
где Еп-ЭДС преобразователя; k-конструктивный коэффициент двигателя; Ф-магнитный поток двигателя; I-ток якоря двигателя; Rя, Rп-соответственно сопротивление якоря двигателя и преобразователя; М-момент двигателя.
После подстановок и несложных преобразований получаем следующие формулы для характеристик в замкнутой системе:
где с=kФном; kc=γkуkп/c-общий коэффициент усиления замкнутой системы П-Д.
Для анализа жесткости характеристик сопоставим перепады скорости в разомкнутой Δωр и замкнутой Δωз системах при одном и том же токе и моменте:
Так как всегда kc >0, то Δωз< Δωр, т. е. Жесткость характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомкнутой системе. На рис.4.1,б представлены характеристики, получаемые в замкнутой системе-прямые 2,4,5 и в разомкнутой -прямая 3.Штриховой линией 1 показана абсолютно жесткая характеристика, которая может быть получена при kc→∞, Δωз→0.
Физическая сторона процесса регулирования скорости состоит в следующем. Предположим увеличился момент нагрузки Мс, при этом скорость двигателя начнет снижаться, и соответственно будет снижаться сигнал обратной связи по скорости Uтг=γω. Это, в свою очередь, вызовет увеличение сигналов рассогласования Uвх и управления Uу и приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно напряжения и скорости двигателя. При уменьшении момента нагрузки обратная связь действует в другом направлении. Таким образом, благодаря наличию обратной связи осуществляется автоматическое регулирование подводимого к двигателю напряжение, за счет чего получаются более жесткие характеристики электропривода.
Схема управления ДПТ с нелинейной обратной связью по току
В этой схеме (рис.4.2,а) в качестве датчика тока используется шунт с сопротивлением Rш, падение напряжения на котором пропорционально току якоря I. Сигнал обратной связи по току
Uо.т=β I, (4.10)
где β- коэффициент обратной связи по току, Ом.
Рис.4.2 Схема (а) и характеристики (б) замкнутой системы с обратной связью по току
В качестве шунта Rш часто используется обмотка дополнительных полюсов или компенсационная обмотка двигателя. На узел токоограничения УТО вместе с сигналом задания тока Uз.т поступает сигнал обратной связи Uо.т . Этот сигнал определяет уровень тока тока отсечки Iотс, с которого начинается регулирование тока.
Работа УТО происходит следующим образом. При токе в якоре, меньшем заданного тока отсечки, т. е. пока I ≤ Iотс, сигнал обратной связи на выходе УТО равен нулю. Таким образом, схема в диапазоне тока 0 -Iотс работает как разомкнутая система и двигатель имеет характеристики, изображенные на рис.4.2.б в зоне I. При токе в якоре, большем тока отсечки т.е. I > Iотс, на выходе УТО появляется сигнал отрицательной обратной связи Uо.т=βI. Электропривод работает как замкнутая система, а его характеристики соответствуют зоне II.
Сигнал рассогласования Uвх определяется выражением
Uвх= Uз.с─ β I. (4.11)
Из (4.11) видно, что при увеличении тока I сигнал Uвх уменьшается, что вызывает уменьшение сигнала Uу и Eп.. Это приведет к уменьшению напряжения на двигателе U и соответствующему снижению тока в якоре двигателя. Характеристики двигателя становятся крутопадающими (мягкими). В этом и заключается эффект регулирования тока и соответственно момента. При увеличении коэффициента усиления системы характеристики в зоне II приближаются к вертикальным линиям. Уровень ограничения тока определяется задающим сигналом (уставкой) Uз.т. Ток при нулевой скорости называют током стопорения Iстоп .
Схема управления с подчиненным регулированием координат
Принцип подчиненного регулирования предусматривает регулирование каждой координаты с помощью своего отдельного регулятора и соответствующей обратной связи. Регулятор тока РТ и скорости РС вместе с обратными связями образуют замкнутые контуры. На рис.1.7 представлена структурная схема с подчиненным регулированием координат.
Рис. 1.7 Схема с подчиненным регулированием координат
В схеме приняты обозначения: РС-регулятор скорости; РТ-регулятор тока; ПУ-преобразователь; ЭД-лектродвигатель; ЭЧД-электрическач часть двигателя; МЧД-механическая часть двигателя.
В схеме входным, задающим сигналом для внутреннего контура тока Uз.т является выходной сигнал внешнего по отношению к нему контура скорости. Таким образом, внутренний контур тока подчинен внешнему контуру скорости-основной регулируемой координаты ЭП. Электропривод с подчиненным регулированием координат находит в настоящее время широкое применение благодаря возможности оптимальной настройки регулирования каждой координаты. Кроме этого, подчинение контура тока контуру скорости позволяет простыми средствами ограничивать ток и момент, для чего необходимо лишь ограничить сигнал на выходе регулятора скорости.
При необходимости регулировать положение вала двигателя в схему вводится обратная связь по положению вала двигателя или исполнительного органа.
На рис.4.4,а приведена схема ЭП с подчиненным регулированием, выходной регулируемой координатой которого является скорость.
Управляющая часть схемы состоит из двух замкнутых контуров регулирования: тока (момента), содержащего регулятор тока РТ и датчик тока ДТ, и скорости, содержащего регулятор скорости РС и датчик скорости (тахогенератор) ) ТГ.
Регуляторы тока и скорости чаще всего выполняются на базе операционных усилителей.
Регулятор в схеме носит название пропорционального (П) регулятора скорости, так как обеспечивает изменение задающего сигнала скорости Uз.с с коэффициентом K1 =Ro.c 1 /R1 и изменение сигнала обратной связи по скорости Uо.с с коэффициентом K2=Ro.c1/R1 .
При включении в цепи ОУ конденсаторов функциональные возможности регулятора сановятся шире. Так, в схеме (рис.4.4,а) сигнал на выходе Uy содержит пропорциональную и интегральную составляющие входного сигнала Uвх т.е
Uy=K3 Uвх +1/Т∫Uвх dt (4.12)
Таким образом, РТ в данном случае является пропорционально-интегральнм (ПИ) регулятором.
Рис. 4.4.Схема(а), динамические (б) и статические (в) характеристики электропривода с подчиненным регулированием координат
Основным условием, по которому выбираются схема и параметры цепей регулятора является желаемый характер переходных процессов. Обычно выбирают график с затухающими колебаниями (рис.4.4,б) который является оптимальным, так как позволяет обеспечить устойчивые переходные процессы при небольших длительностях и перерегулированиях.
Настройкой регулятора такого вида является, так называемый, технический оптимум, при котором перерегулирование ΔХ=Хmax-Хуст составляет 4,3% от установившегося уровня, а время переходного процесса tп.п =4,1Тп (Тп -электромагнитная постоянная времени тиристорного преобразователя).
В схеме для ограничения тока и момента в цепь обратной связи РС включены стабилитроны VD1 VD2. В результате этого выходное напряжение РС, являющееся входным задающим сигналом тока Uз.т ограничивается, а следовательно ток и момент двигателя не могут превзойти заданного уровня. Особенностью статических характеристик рассматриваемой схемы является наличие вертикального участкa I, обеспечивающего ограничение тока и момента, и участка II с высокой жесткостью характеристики.
При необходимости регулирования положения вала двигателя схема на рис. 4.4,а дополняется контуром положения, включающим в себя регулятор положения и датчик положения вала двигателя.
В заключении отметим, что схемы с подчиненным регулированием широко распространены в регулируемом электроприводе как постоянного, так и переменного тока.
Замкнутая схема регулирования положения вала двигателя
На рис.4.7,а представлена схема электропривода с двигателем постоянного тока для регулирования положения исполнительного органа робототехнического устройства с использованием микропроцессорного управления.
Электропривод должен обеспечивать перемещение и точное позиционирование исполнительного органа робота, для чего в нем используется обратная связь по положению. В ЭП осуществляется также регулирование тока (момента) и скорости.
В схеме рис.4.7,а применяются как аналоговые, так и цифровые узлы и устройства управления.
Рис. 4.7 Схема (а) и фрагмент программы (б) электропривода с микропроцессорным управлением
Силовая часть ЭП представлена трехфазным мостовым реверсивным тиристорным преобразователем ТП, который питается от трансформатора ТР.
Схема управления построена по принципу подчиненного регулирования координат.
Регулирование тока производится аналоговым пропорционально-интегральным регулятором тока РТ, на вход которого поступают сигналы задания тока Uз.т, свыхода регулятора скорости и сигналы обратной связи по току от датчика тока ДТ.
Аналоговый П-регулятор скорости РС формирует сигнал задания тока Uз.т, на основе задающего сигнала Uз.с, поступающего на регулятор с внешнего контура положения, и сигнала обратной связи по скорости, вырабатываемого тахогенератором ТГ. Стабилитроны VD1и VD2 ограничивают сигнал на выходе РС, чем обеспечиваетсч ограничение тока и момента двигателя.
Регулирование положения осуществляется с помощью микропроцессорной системы, которая включает в себя микропроцессор МП, устройства памяти ОЗУ и ПЗУ, устройства сопряжения УС1-УС3, цифровой датчик положения ДП, цифроаналоговый преобразователь ЦАП. Сигнал задания положения Sз.п задается с терминала Т, подключаемого к микропроцессорной системе через УС3. Тем самым микропроцессорная система выполняет роль регулятора положения РП.
Работа цифрового регулятора положения в микропроцессорной системе может основываться на одном из двух принципов. Первый из них предусматривает получение статической характеристики РП в виде параболы, которая обеспечивает оптимальный график движения электропривода. Эта нелинейная характеристика РП записывается в ПЗУ и реализуется такой регулятор программным путем.
Второй принцип РП основан на вычислении момента начала торможения электропривода, что позволяет получить требуемую точность регулирования положения. Этот способ реализуется следующим образом. По известным скорости ωуст и ускорении α= могут быть рассчитаны время tт и путь Sт на участке торможения ЭП в конце отработки заданного перемещения Sз.п по формулам:
tт=ωуст / α; (4.14)
Sт=ω2уст /2α; (4.15)
Для реализации программы в микропроцессорную систему вводятся данные по величинам ωуст, α, Sз.п , и сигнал Sп датчика положения ДП, пропорциональный текущему положению вала двигателя и исполнительного органа. Микропроцессорная система производит вычисления tт и Sт и разности S1- Sз. Далее сопоставляются величины этой разности S1 с сигналом датчика положения Sп. Как только S1 станет равной Sп, микропроцессорная система выдает команду на торможение электропривода, начинается отчет выдержки времени tт, по истечении которого вырабатывается команда на отключение электропривода. На рис.4.7,б приведен алгоритм работы микропроцессорной системы при выработке сигнала на торможение.