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
Системы управления автоматизированным электроприводом
Тема 2.8. Следящий электропривод
Следящим называется электропривод, который обеспечивает (воспроизводит) с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления. Этот сигнал может изменяться в широких пределах по произвольному временному закону и иметь механическую или электрическую природу. Чаще всего входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала задающего устройства. Следящий электропривод применяется для антенн радиотелескопов и систем спутниковой связи, в металлообрабатывающих станках, для привода роботов и манипуляторов, в автоматических измерительных устройствах и во многих других случаях.
Следящий электропривод (рис. 2.68) состоит из датчика входного сигнала 1 и датчика 5 выходной координаты, измерителя рассогласования 2, системы управления 3 и электродвигателя с механической передачей 4, которая приводит в движение исполнительный орган 5 рабочей машины.
Датчики входной и выходной величин преобразуют механические величины (скорость или угол поворота вала) в электрические — входной сигнал Uвх и сигнал обратной связи Uо.с. Измеритель рассогласования 2, алгебраически суммируя эти сигналы, вырабатывает сигнал рассогласования UΔ, поступающий в систему управления 3. Следящий электропривод по своей структуре представляет собой замкнутую систему, действующую по принципу отклонения.
Рис. 2.68. Схема следящего электропривода
Система управления 3 состоит из регулятора (усилителя) и силового преобразователя, которые обеспечивают необходимое преобразование сигнала рассогласования UΔ в напряжение U, поступающее на двигатель. За счет выбора схем регулятора и преобразователя или введения корректирующих устройств обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения во времени U(t) при отработке входного воздействия ω(t) или φвх(t).
Электродвигатель и механическая передача 4 в соответствии с законом изменения U(t) обеспечивают перемещение исполнительного органа 6. Иногда двигатель с механической передачей называют исполнительным механизмом (сервомеханизмом).
Классификация следящего электропривода может быть выполнена по нескольким признакам. Если следящий электропривод предназначен для воспроизведения с заданной точностью скорости движения исполнительного органа, он называется скоростным, а если положения — то позиционным.
Различают следящие электроприводы с непрерывным и прерывным управлением; последние, в свою очередь, делятся на релейные и импульсные.
В следящих электроприводах непрерывного действия напряжение, пропорциональное сигналу рассогласования, постоянно подается на двигатель.
Следящий электропривод релейного действия характеризуется тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае, когда сигнал рассогласования достигает определенного значения. Поэтому работа релейного следящего электропривода характеризуется определенной зоной нечувствительности по отношению к входному сигналу.
Импульсный следящий электропривод отличается тем, что управляющее воздействие на двигатель подается в виде импульсов напряжения, амплитуда, частота или заполнение которых изменяется в зависимости от сигнала рассогласования. В этих случаях говорят соответственно об амплитудно-, частотно- и широтно- импульсной модуляции сигнала управления.
В следящем электроприводе используются двигатели переменного и постоянного тока, различные виды усилителей (электромашинные, магнитные, полупроводниковые, пневматические, гидравлические), датчики скорости и положения и другие аналоговые и цифровые устройства управления.
Следящий электропривод постоянного тока релейного действия. В этой схеме электропривода (рис. 2.69) используется двигатель постоянного тока последовательного возбуждения М, имеющий две обмотки возбуждения ОВ1 и ОВ2. Управление двигателем осуществляется с помощью силовых транзисторов VT1 и VT2. Каждый из транзисторов работает при определенной полярности сигнала согласования UΔ, обеспечивая одно из направлений вращения двигателя. Если открыт транзистор VT1, ток проходит по ОВ2 и двигатель вращается в одном направлении, если же открыт транзистор VT2, ток проходит по ОВ1 и он вращается в другом направлении. Направление тока якоря в обоих случаях остается неизменным.
Рис. 2.69. Схема следящего электропривода с двигателем постоянного тока релейного действия
Разрядные диоды VD3 и VD4 служат для снятия перенапряжений, возникающих при отключении обладающих значительной индуктивностью обмоток возбуждения и якоря.
В рассматриваемом следящем электроприводе в качестве датчиков входной и выходной величин используются кольцевые потенциометры П1 и П2, которые образуют так называемый потенциометрический измеритель рассогласования.
Движок потенциометра П1 (датчика входной величины) связан с выходным валом задающего устройства ЗУ, который представляет собой в данном случае редуктор с ручным приводом. Движок потенциометра П2 (датчика выходной величины) связан с валом редуктора Р, расположенного на валу двигателя и рабочей машины РМ. Редукторы ЗУ и Р имеют одинаковое передаточное число. Питание потенциометров П1 и П2 осуществляется напряжением постоянного тока Uп.
Сигнал рассогласования снимается с движков потенциометров П1 и П2. При их одинаковом угловом положении, что соответствует нулевому углу рассогласования Δφ=φвх-φвых, сигнал = 0. При этом равен нулю и сигнал UΔ на выходе усилителя У, оба транзистора закрыты и двигатель неподвижен.
При возникновении рассогласования между угловыми положениями движков потенциометров П1 и П2, вызванного поворотом рукоятки ЗУ, сигналы и UΔ становятся отличными от нуля. В зависимости от полярности сигнала , которая определяется знаком угла рассогласования (ошибки) Δφ, сигнал UΔ подается на транзистор VT1 (по цепи диод VD10 — стабилитрон VD5—резистор R3 — диод VD7) или VT2 (по цепи диод VD9—стабилитрон VD6—резистор R4—диод VD8). Если этот сигнал превышает порог срабатывания стабилитронов VD5 или VD6, то соответствующий транзистор откроется, подключая двигатель к источнику питания с напряжением U. Двигатель начнет вращаться, поворачивая вал рабочей машины РМ и ось движка потенциометра П2 в направлении, при котором возникшее рассогласование в системе будет уменьшаться и стремиться к нулю. Когда сигнал UΔ станет меньше напряжения открывания стабилитронов VD5 или VD6, работающий транзистор (VT1 или VT2) закроется и отключит двигатель от источника питания.
Таким образом, электропривод в данной схеме отрабатывает заданное перемещение φвх с некоторой погрешностью, обусловленной нечувствительностью системы из-за порога срабатывания стабилитронов VD5, VD6. Зону нечувствительности системы стараются делать возможно меньшей в пределах 2...3° угла рассогласования. Однако снижение зоны нечувствительности может привести к возникновению нежелательного колебательного режима работы электропривода около положения равновесия. Эффективным средством устранения такого режима является введение в систему дополнительных сигналов по первой и второй производным сигнала рассогласования, а также использование электрического торможения после отключения двигателя.
Достоинствами следящих электроприводов релейного принципа действия являются их простота, надежность и возможность получения оптимальных траекторий движения исполнительных органов рабочих машин. К недостаткам таких систем следует отнести их склонность к колебаниям и наличие определенной нечувствительности (неточности) при слежении.
Следящий электропривод переменного тока пропорционального действия. В следящем электроприводе широкое применение находят асинхронные двигатели, которые отличаются надежностью в работе и долговечностью. При создании маломощных (до 1 кВт) следящих электроприводов обычно используют двухфазные короткозамкнутые двигатели, в том числе и с полым ротором (рис. 2.70).
Двигатель М имеет обмотки возбуждения ОВ и управления ОУ, которые питаются сдвинутым по фазе на 90° напряжением. Регулирование скорости двигателя осуществляется изменением действующего значения напряжения на ОУ, которая получает питание от фазы А трехфазной сети переменного тока через тиристоры VS1- VS4. Обмотка возбуждения ОВ связана с фазами В, С через тиристоры VS5— VS6. Тиристоры VS1-VS6 образуют стандартные схемы регуляторов напряжения переменного тока. Они попарно включены по встречно-параллельной схеме, что обеспечивает протекание тока по обмоткам в оба полупериода питающего напряжения.
Рис. 2.70. Схема следящего электропривода с асинхронным двигателем
Рассогласование между задающей осью и валом электропривода измеряется с помощью сельсинной пары, состоящей из сельсина-датчика СД и сельсина-приемника СП. Положение ротора СД задает входной сигнал φвх, а положение ротора СП определяет угол поворота вала электропривода φвых. Сигнал рассогласования , снимаемый с обмотки статора СП, пропорционален разности углов φвх и φвых, а фаза этого напряжения определяется знаком этой разности (ошибки).
Сигнал рассогласования подается на вход фазочувствительного усилителя У1. После прохождения через корректирующее звено, состоящее из резисторов R1, R2 и конденсатора С1, сигнал рассогласования усиливается усилителем У2 и в виде напряжений UΔ1 и UΔ2 поступает на блок управления тиристорами.
Схема работает следующим образом. При появлении сигнала рассогласования в зависимости от его фазы на выходе усилителя У2 появляются напряжения UΔ1 и UΔ2. При возникновении, например, напряжения UΔ1 СИФУ подает импульсы управления на тиристоры VS1, VS2, VS5, VS6. Тиристоры открываются, и на ОУ и ОВ подаются напряжения Uо.у и Uо.в, которые пропорциональны сигналу рассогласования UΔ1. Двигатель М начинает вращаться, уменьшая угол рассогласования Δφ=φвх-φвых между осями сельсинов СД и СП.
При другой фазе сигнала , что имеет место при изменении знака угла рассогласования Δφ, на выходе усилителя У2 появляется напряжение UΔ2. Этот сигнал вызывает включение тиристоров VS3, VS4, и на обмотку управления ОУ будет подано напряжение Uо.у, сдвинутое по фазе на 180° по сравнению с предыдущим случаем. Поскольку одновременно с этим откроются тиристоры VS5 и VS6 и также получит питание, двигатель М начнет вращаться, но уже в другом направлении. Таким образом, за счет изменения фазы напряжения Uо.у осуществляется реверс двигателя М, что обеспечивает отработку угла рассогласования любого знака.
Конденсаторы С2-С5 и резисторы R3, R4 используются для сглаживания пульсаций напряжения на обмотках двигателя.
Цифроаналоговый позиционный следящий ЭП постоянного тока. При необходимости получения высокой точности слежения (до 0,001%) в следящих электроприводах применяются цифровые устройства управления (задатчики, сумматоры, счетчики и т.д.) и датчики координат. В ряде случаев цифровая измерительная часть сочетается с аналоговой, выполненной по принципу подчиненного регулирования координат, в результате чего образуются так называемые цифроаналоговые схемы управления электропривода, сочетающие в себе положительные свойства цифровых и аналоговых систем.
Аналоговая часть электропривода (рис. 2.71) выполнена по структуре подчиненного регулирования координат, в которой внешний контур регулирования положения выполнен цифровым, а внутренние контуры регулирования тока и скорости — аналоговыми. Аналоговая часть содержит регулятор тока РТ, на который поступают сигналы задания по току Uз.т и обратной связи по току Uо.т, подаваемые соответственно с регулятора скорости PC и датчика тока ДТ. Выходной сигнал регулятора тока Uy является управляющим для реверсивного преобразователя ПУ, питающего якорь двигателя постоянного тока независимого возбуждения М. Регулятор скорости PC, в свою очередь, получает сигналы Uо.с от датчика скорости (тахогенератора) BR и Uз.с от задатчика интенсивности ЗИ, входным сигналом которого является выходной сигнал аналогового регулятора положения РП.
В состав цифровой измерительной части электропривода, формирующей сигнал рассогласования UΔ, входят датчики входной ДП1 и выходной ДП2 координат электропривода (его положения), арифметическое суммирующее устройство АСУ, преобразователь кода в напряжение ПКН (преобразователь «код — аналог») и преобразователь кода положения вала ДПТ в двоичный код ПК.
Рис. 2.71. Схема цифроаналогового следящего электропривода
Работа цифровой части следящего электропривода происходит следующим образом. Требуемое перемещение исполнительного агрегата рабочей машины вырабатывается задатчиком ДП1 в виде числа Nз.п в двоичном коде. Этот сигнал подается на вход сумматора АСУ вместе с числовым сигналом Nп (также в двоичном коде), соответствующим действительному положению исполнительного органа рабочей машины.
Сумматор АСУ обеспечивает суммирование этих двух цифровых сигналов и выделение сигнала рассогласования (ошибки) в цифровом коде NΔ. Далее цифровой сигнал с помощью преобразователя ПКН преобразуется в аналоговый сигнал UΔ (напряжение постоянного тока), который поступает на вход регулятора положения РП.
Цифроаналоговый следящий электропривод имеет хорошие динамические показатели работы за счет аналоговой части и высокую точность слежения, обеспечиваемую цифровой частью. Элементы и устройства такого электропривода могут быть реализованы на основе унифицированной серии аналоговых (УБСР-АИ) и цифровых (УБСР-ДИ) регуляторов.