Атанов АЭП Лекции 2008

получивший свое обозначение от английского слова Set — установка, подается входной сигнал X1=Xs=l, после чего на прямом выходе триггера появляется (устанавливается) единичный сигнал Y= 1, а на инверсном выходе - Y=0. При подаче на вход R, обозначенный первой буквой английского слова Reset—сброс, единичного сигнала X2=XR=1, сигнал по выходу Y переведется на нулевой уровень, т. е. Y=0, а по инверсному выходу — на единицу, т. е. Y=1.

Если на обоих входах сигналы отсутствуют, т. е. XS = XR = 0, то триггер «запоминает» свое предыдущее состояние, что является его важным свойством. Сочетание Xs = XR = 1 запрещено, так как вызывает неопределенное состояние выходов триггера.

Цифровые узлы и устройства по своему функциональному назначению делятся на вычислительные; логические; устройства памяти; элементы согласования; временные устройства; цифроаналоговые преобразователи; устройства ввода — вывода данных; цифровые датчики координат. Рассмотрим состав этих групп и реализацию отдельных, наиболее употребимых узлов и устройств.

К вычислительным устройствам относятся счетчики, сумматоры и компараторы (устройства сравнения).

Счетчик. Это цифровой узел, предназначенный для подсчета числа входных сигналов. Они подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Сумматор. Это цифровой узел, выполняющий операцию сложения двух чисел. Обычно сумматор представляет собой совокупность одноразрядных суммирующих схем, работающих в соответствии с таблицей двоичного сложения.

Компаратор. Это цифровой узел, выполняющий функцию сравнения двух чисел А„ и в В результате сравнения определяется истинность одного из соотношений: А = В; А>В; А<В каждое из которых фиксируется единичным сигналом на соответствующем выходе.

Логические цифровые узлы. В этих узлах осуществляются различные логические операции над дискретными электрическими сигналами. К ним относятся распределители импульсов, шифраторы, дешифраторы и мультиплексоры.

Дешифратор (декодер) осуществляет такое преобразование сигнала на и входах, при котором на одном его выходе вырабатывается сигнал 1, а на всех остальных сохраняются сигналы, равные 0. Обратную операцию выполняет шифратор, преобразующий единичный сигнал на одном из входов в двоичное число на нескольких выходах.

Мультиплексор — цифровой узел, обеспечивающий передачу сигналов с нескольких входных линий в одну выходную. Выбор входной линии производится с помощью управляющего импульсного сигнала (кода), подаваемого на управляющие входы мультиплексора. Мультиплексор может быть выполнен на основе схемы дешифратора путем ее небольшого преобразования.

81

Устройства памяти. Эти устройства предназначены для запоминания, хранения и выдачи информации.

К ним относятся регистры, матрицы-накопители и запоминающие устройства (ЗУ): оперативные (ОЗУ) и постоянные (ПЗУ).

Регистр предназначен для записи, запоминания и выдачи многоразрядного двоичного числа и выполнения над ним некоторых несложных логических операций.

Запоминающее устройство (ЗУ) обеспечивает хранение больших объемов информации. ЗУ, обеспечивающие многократную запись и считывание информации, получили название оперативных запоминающих устройств (ОЗУ). Особенность ОЗУ состоит в том, что оно хранит информацию только при наличии питания, а при его потере информация теряется.

ЗУ, предназначенные для постоянного хранения единожды записанной информации, получили название постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Эти устройства способны сохранять записанную в них информацию и при потере питания. ПЗУ характеризуются большим объемом хранимой информации, более простыми по сравнению с ОЗУ схемами и меньшим энергопотреблением.

Временные устройства. К ним относятся генератор эталонной частоты, служащий для выработки тактовых импульсов частотой 100—500 кГц (I исполнение) или 1—5 мГц (II исполнение), а также мультивибратор универсальный с частотой выходного сигнала до 200 кГц.

Цифроаналоговые устройства. В их состав входят: преобразователь код — напряжение (ПКН), преобразующий двоичный или двоичнодесятичный код в напряжение постоянного тока; преобразователи часто- та—напряжение (ПЧН) и напряжение—частота (ПНЧ), осуществляющие преобразование частоты следования импульсов в напряжение постоянного тока и обратное преобразование.

Устройства согласования. Они обеспечивают согласование сигналов узлов и устройств УБСД-ДИ с релейно-контакторной аппаратурой управления ЭП, усиление выходных сигналов логических узлов и гальваническую (потенциальную) развязку электрических цепей.

Кроме того, в состав УБСР-ДИ входят вспомогательные узлы ввода

— вывода информации и блоки питания.

На базе рассмотренных цифровых узлов в рамках УБСР-ДИ разработаны типовые блоки управления, позволяющие выполнять сложные арифметические и логические операции. К ним относятся блоки для обработки цифровой информации (формирователь чисел, дискриминатор чисел, арифметическое устройство) и частотных сигналов (генератор частотных сигналов, цифровой интегратор, управляемый делитель частоты), преобразования кода числа в частоту и частоты в код числа, ввода и вывода информации (регистры памяти входной и выходной, формирователь сигналов импульсных и кодовых датчиков положения, усилители выходные) и связи с аналоговыми элементами схем управления ЭП.

82

3 Датчики скорости и положения, применяющиеся в замкнутых схемах управления

Для получения информации о скорости и положении вала двигателя в замкнутых цифровых ЭП применяются аналоговые и дискретные датчики скорости и положения.

Датчики скорости (тахогенераторы). Эти датчики предназначены для измерения скорости вращения вала двигателя или исполнительного органа рабочей машины. Они представляют собой специализированные электрические машины небольшой мощности, выходное напряжение Uвых которых пропорционально скорости вращения якоря (ротора). По принципу своего действия и устройству тахогенераторы бывают постоянного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока представляют собой небольшие генераторы постоянного тока с возбуждением от независимого источника или от постоянного магнита.

Тахогенераторы переменного тока в большинстве случаев применяются асинхронного типа и по своему устройству мало отличаются от однофазных асинхронных двигателей. Они имеют две обмотки: одна из которых ОВ подключается к питающей сети и служит для возбуждения тахогенератора, а другая ОИ является измерительной. Напряжение на зажимах этой обмотки пропорционально скорости вращения тахогенератора.

Кроме рассмотренных выше аналоговых датчиков скорости в замкнутых схемах все шире применяются цифровые датчики, сигналы которых могут непосредственно поступать в цифровые схемы управления. Применение таких датчиков позволяет повысить точность регулирования скорости исполнительных органов рабочих машин и механизмов.

Первичными элементами цифровых датчиков скорости и положения, непосредственно устанавливаемых на валу двигателя или рабочей машины, являются индукционные или фотоэлектрические элементы.

Импульсный индукционный датчик скорости состоит из первичного элемента, зубчатого диска 1 (рис. 6), соединенного с валом двигателя или рабочей машины. Против зубцов этого диска располагается индуктор 2, представляющий собой постоянный магнит с расположенной на нем измерительной обмоткой 3, подключенной к источнику питания Uп.

UП

Рисунок 6 - Схема индукционного датчика скорости

83

Лекция 11 Замкнутые схемы управления АЭП с ДПТ

Вопросы

1)Замкнутые схемы управления электроприводов с двигателями постоянного тока по скорости

2)Регулирование (ограничение) тока и момента двигателя постоянного тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току

3)Замкнутая схема электрического привода с двигателями постоянного тока с обратными связями по скорости и току

4)Замкнутые электропривода с подчиненным регулированием координат

1 Замкнутые схемы управления электроприводов с двигателями постоянного тока по скорости

Характеристики разомкнутых ЭП, построенных по системе «преоб- разователь—двигатель» (П — Д), имеют относительно невысокую жесткость из-за влияния внутреннего сопротивления преобразователя. Для получения значительных диапазонов и высокой точности регулирования скорости требуется иметь более жесткие характеристики, которые можно получить лишь в замкнутой системе П—Д. Кроме того, характеристики разомкнутой системы не обеспечивают точного регулирования (или ограничения) тока и момента, что также требует перехода к замкнутой системе.

Рисунок 1 - Схема замкнутой системы П—Д с отрицательной обратной связью по скорости

86

Замкнутая система П—Д с отрицательной обратной связью по скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Основу структурной схемы составляет разомкнутая схема П — Д. На валу ДПТ находится датчик скорости — тахогенератор (ТГ) (рис. 1), выходное напряжение которого пропорциональное скорости ДПТ и является сигналом обратной связи. Коэффициент пропорциональности носит название коэффициента обратной связи по скорости и может регулироваться за счет изменения тока возбуждения ТГ .

Сигнал обратной связи Uтг=γω=Uо.с сравнивается с задающим сигналом скорости Uз.с , и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки)

Uвх=Uз.с- γω

подается на вход дополнительного усилителя У, который с коэффициентом kу усиливает сигнал рассогласования Uвх и подает его в виде сигнала управления UУ на вход преобразователя П.

ω

Рисунок 2 – Механические характеристики ДПТ в замкнутой системе регулирования с отрицательной обратной связью (ООС) по скорости

Жесткость получаемых характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомкнутой системе (рисунок 2). Сами характеристики, представляют собой прямые параллельные линии 2, 4, 5, расположение которых определяется уровнем задающего сигнала по скорости и соответственно скоростью холостого хода ω0. Здесь же для сравнения приведена характеристика ДПТ в разомкнутой (прямая 3) системе.

В замкнутой системе может быть получена абсолютно жесткая характеристика, которая изображена на рисунке 2 в виде штриховой линии 1.

Рассмотрим физическую сторону процесса регулирования скорости в данной системе. Предположим, что ДПТ работает под нагрузкой в установившемся режиме и по каким-то причинам увеличился момент нагрузки Мс. Так как развиваемый ДПТ момент стал меньше момента нагрузки, его скорость начнет снижаться и соответственно будет снижаться сигнал обратной связи по скорости. Это, в свою очередь, вызовет увеличение сиг-

87

налов рассогласования Uвх и управления Uy и приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно, напряжения и скорости ДПТ.

При уменьшении момента нагрузки обратная связь действует в другом направлении, приводя к снижению ЭДС преобразователя. Таким образом, благодаря наличию обратной связи осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя и тем самым подводимого к ДПТ напряжения, за счет чего получаются более жесткие характеристики ЭП. В разомкнутой системе при изменении момента нагрузки ЭДС преобразователя не изменяется, в результате чего жесткость характеристик электропривода оказывается меньше.

Для получения жестких характеристик в системе П — Д кроме обратной связи по скорости используются также отрицательная обратная связь по напряжению и положительная обратная связь по току двигателя и их сочетания.

2 Регулирование (ограничение) тока и момента двигателя постоянного тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току

В качестве датчика тока (рис. 3) в этой системе может быть использован шунт с сопротивлением Rш, падение напряжения на котором пропорционально току якоря. В результате сигнал обратной связи по току

Uо.т= I,

где — коэффициент обратной связи по току.

Отметим, что в качестве резистора RШ часто используется обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка двигателя.

UO.T

IOTC

UЗ.Т ≡ IOTC

Рисунок 3 - Схема замкнутой системы П—Д с нелинейной отрицательной обратной связью по току

88

Сигнал обратной связи Uо.т поступает на узел токоограничения УТО, называемый также узлом токовой отсечки, вместе с сигналом задания тока Uз.т . Этот сигнал определяет уровень тока отсечки Iотс, с которого начинается регулирование (ограничение) тока.

Работа УТО в соответствии с его характеристикой Uо.т.=f(I) происходит следующим образом (рис. 4).

ωUОТ = 0

ω01 UЗ.С1

ω03 UЗ.С3

Рисунок 4 – Механические характеристики замкнутой системы П—Д с нелинейной отрицательной обратной связью по току

При токе в якоре, меньшем заданного тока отсечки, сигнал обратной связи на выходе УТО равен нулю. Другими словами, ЭП в диапазоне тока 0...Iотс является разомкнутым и имеет характеристики, изображенные на рисунке 4, в зоне 1.

При токе, больше тока отсечки на выходе УТО появляется сигнал отрицательной обратной связи Uо.т= I ЭП становится замкнутым и начинает работать в зоне 2 . Для пояснения вида характеристик ЭП в этой зоне запишем выражение для сигнала рассогласования

Uвх=Uз.с- I.

Из выражения видно, что при увеличении тока I сигнал Uвх уменьшается, что вызовет уменьшение сигнала Uy и Еп. Это приведет к уменьшению напряжения на двигателе U и соответствующему снижению тока в якоре двигателя. Характеристики двигателя становятся крутопадающими (мягкими), что и отражает эффект регулирования (ограничения) тока и соответственно момента. При увеличении коэффициента усиления системы характеристики в зоне 2 все ближе приближаются к вертикальным линиям. Уровень ограничения тока определяется задающим сигналом (уставкой) Uз.т.

89

3 Замкнутая схема электрического привода с двигателями постоянного тока с обратными связями по скорости и току

Для получения жестких характеристик ЭП, необходимых для регулирования скорости, и мягких характеристик, требуемых для ограничения тока и момента, т. е. при регулировании двух (или более) координат, применяются различные сочетания обратных связей. В схеме ЭП с нелинейными обратными связями по скорости и току (рис. 5) для обеспечения нелинейности цепей обратных связей использованы рассмотренный ранее узел УТО и узел ограничения скорости УСО, характеристики которых показаны внутри соответствующих условных изображений. Приведенная схема соответствует структуре с общим усилителем и нелинейными обратными связями.

А В С

UЗ.С2

IOTC ICТОП I(М)

Рисунок 5 - Схема и характеристики замкнутой системы П — Д с обратными связями по скорости и току

90