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

Эффективное и качественное регулирование координат в сис­теме П - Д обеспечивает принцип подчиненного регулирования, ре­ализуемый по структурной схеме, приведенной на рис. 11.4. Напом­ним, что этот принцип предусматривает регулирование каждой ко­ординаты с помощью своего отдельного регулятора и соответству­ющей обратной связи, т. е. регулирование каждой координаты про­исходит в собственном замкнутом контуре и требуемые характерис­тики ЭП в статике и динамике можно получить за счет выбора схемы и параметров регулятора этой координаты и цепи ее обратной связи.

Управление внутренним контуром с помощью выходного сиг­нала внешнего контура определяет еще одно ценное свойство та­ких систем. Оно заключается в возможности простыми средствами ограничивать любую регулируемую координату, например ток и момент, на заданном уровне. Для этого требуется всего лишь огра­ничить сигнал, поступающий с внешнего контура.

Рассмотрим схему ЭП (рис. 11.26, а) с подчиненным регулиро­ванием, выходной регулируемой координатой которой является скорость. Управляющая часть схемы состоит из двух замкнутых контуров: контура регулирования тока (момента), содержащего регулятор тока РТ и датчик тока ДТ, и контура регулирования скорости, содержащего регулятор скорости PC и датчик скорости (тахогенератор) 77".

Регуляторы тока и скорости в большинстве схем ЭП этого типа выполняются на базе операционных усилителей. Включение в цепь задающего сигнала скорости i/_ic регулятора скорости PC и его об­ратной связи резисторов RI и R обеспечивает изменение (усиле­ние или ослабление) этого сигнала с коэффициентом к = R J R1. Аналогично изменение сигнала обратной связи по скорости U _с про­исходит с коэффициентом к₂ = R_ocl/R2. Такой регулятор получил название пропорционального регулятора скорости.

При включении в цепь ОУ конденсаторов (реактивных электри­ческих элементов) его функциональные возможности по преобра­зованию электрических сигналов становятся шире. Так, включение в цепь обратной связи регулятора тока РТ конденсатора С последовательно с резистором R_oc2 позволяет получить на выходе РТсиг­нал в виде суммы двух составляющих:

где к_у к₄ - коэффициенты усиления сигналов.

Здесь сигнал U содержит пропорциональную и интегральную составляющие входного сигнала U , т.е. РТявляется в этом случае пропорционально-интегральным (П - И) регулятором.

По каким же критериям и условиям выбираются схема и пара­метры цепей того или иного регулятора? Основным условием здесь является желаемый (заданный) характер переходных процессов при регулировании координат. Из всех возможных их видов обычно выбираются переходные процессы с затухающими колебаниями (см. рис. 11.26, б), что является оптимальным в том смысле, что по­зволяет обеспечить устойчивость этих процессов при небольших длительностях и перерегулированиях.

7. Схема серийного электропривода типа ЭТЗР

Для механизмов раз­личных металлообрабатывающих станков, требующих регулирова­ния скорости в диапазоне до 1000 при мощности до 11 кВт, исполь­зуется серийный комплектный ЭП типа ЭТЗР (рис. 11.28). Электро­привод этого типа выполнен в виде замкнутой системы регулиро­вания с отрицательной обратной связью по скорости, которая в за­висимости от настройки обеспечивает относительный перепад ско­ростей в пределах 0,5... 10% при изменении момента нагрузки от 0,1 М_ном до М_ном. В ЭП обеспечивается также регулирование (огра­ничение) тока с помощью устройства токоограничения УТО. Для обеспечения устойчивости и требуемого качества переходных про­цессов ЭП в схеме применяются гибкие обратные связи по скорос­ти ДПТ и результирующему сигналу управления U.

Якорь двигателей серий ПБСТ, 2П или ПГТ, имеющих встроен­ный тахогенератор BR, получает питание от тиристорного преоб­разователя, содержащего силовую часть (тиристоры VS1... VS6) и СИФУ. Тиристоры VS1... VS6 силовой части соединены в две трех­фазные нулевые схемы, образующие реверсивный преобразователь с двумя комплектами тиристоров, составляющих выпрямительную и инверторную группы. Управление этими группами осуществля­ется С использованием согласованного совместного принципа.

Для уменьшения переменной составляющей уравнительного тока, протекающего между выпрямительной и инверторной группами, в ЭП используются ограничительные реакторы L1 и L2. Включение в цепь якоря М сглаживающего реактора Li позволяет исключить ре­жим прерывистого тока и повысить тем самым использование ДПТ.

Управление тиристорами VS1... VS6 обеспечивается транзистор­ной СИФУ, работающей по вертикальному принципу. Она имеет три канала, каждый из которых работает на два тиристора, вклю­ченных в одну фазу.

Питание ЭП осуществляется от трехфазного трансформатора Т с двумя вторичными обмотками. К одной из них, имеющей нуле­вой вывод, подключена силовая часть привода, а ко второй - через выпрямитель ВД - обмотка возбуждения ОВ и блок питания БП, от которого питается схема управления. Обмотка возбуждения тахо-генератора ОВ получает питание от стабилизатора напряжения СН.

В состав схемы управления ЭП входят промежуточный усилитель У1, усилитель мощности (эмиттерный повторитель) У2, узел токоог-раничения УТО, узел гибкой обратной связи УГОС, задающий по­тенциометр RP, кнопки управления SB1 и SB2 и пусковое реле К.

Сигнал управления U формируется как алгебраическая сумма сигналов задающего U, тахогенератора U и токоограничения U_m, для выработки которого используется нелинейная положительная обратная связь по скорости ДПТ. При токе якоря, меньше тока от­сечки, работает только контур регулирования скорости. При токе якоря, превышающем ток отсечки, за счет нелинейности цепи токо­ограничения отрицательная обратная связь по скорости ДПТ от­ключается и начинает действовать положительная обратная связь, обеспечивая ограничение тока и момента на заданном уровне.

Сигнал управления U вместе с сигналом корректирующей гиб­кой обратной связи U поступает на вход усилителя мощности У2 и после усиления в виде результирующего сигнала U ₂ подается на вход СИФУ через замыкающий контакт пускового реле К. Управление этим реле осуществляется с помощью кнопок управления: SB1 ис­пользуется при пуске ДПТ и SB2 - при его останове. Реверсирование ДПТ осуществляется изменением полярности задающего сигнала £/_з.

В ЭП типа ЭТЗР осуществляется ряд защит, блокировок и сиг­нализаций. Токовое реле КА, катушка которого включена в цепь якоря ДПТ, а контакт - в цепь питания реле К, обеспечивает макси­мальную токовую защиту ДПТ. При его срабатывании отключает­ся реле К, с тиристоров снимаются сигналы управления и ДПТ от­ключается от источника питания,

Автоматические выключатели QFI и QF2 осуществляют макси­мальную токовую защиту силовой части тиристорного преобразо­вателя, обмотки возбуждения ДПТ и схемы управления.

8. Схема электрического привода с использованием микропроцес­сора

Рассмотрим схему ЭП с двигателем постоянного тока [19] для регулирования положения исполнительного органа робототехни-ческого устройства с использованием микропроцессорного управ­ления (рис. 11.29, а). Этот ЭП должен обеспечивать перемещение и точное позиционирование исполнительного органа робота в соот­ветствии с диаграммой, приведенной на рис. 3.3, для чего в нем ис­пользуется обратная связь по положению. Для обеспечения высо­кой точности позиционирования в ЭП осуществляется также регу­лирование тока (момента) и скорости ДПТ.

Схема, приведенная на рис. 11.29, а, является характерным приме­ром выполнения подобных схем с применением как аналоговых, так и цифровых узлов и устройств управления. Такие схемы, получившие на­звание цифроаналоговых, существенно улучшают характеристики ЭП.

Силовая часть ЭП включает в себя трехфазный мостовой ревер­сивный тиристорный преобразователь 777, питаемый от трансфор­матора ТР. Схема управления построена по принципу подчинен­ного регулирования координат.

Регулирование тока производится аналоговым пропорциональ­но-интегральным регулятором тока РТ, на вход которого поступа­ют сигнал обратной связи по току от датчика тока ДТ и сигнал за­дания тока U , с выхода регулятора скорости.

Аналоговый пропорциональный регулятор скорости PC форми­рует сигнал задания тока U на основе своего задающего сигнала U , поступающего на него с внешнего контура положения, и сигна­ла обратной связи по скорости, вырабатываемого тахогенератором ТГ. Стабилитроны VD1 и VD2 ограничивают сигнал на выходе PC, т.е. обеспечивают ограничение тока и момента двигателя.

Регулирование положения осуществляется с помощью микропро­цессорной системы, включающей в себя микропроцессор МП, уст­ройства памяти ОЗУ и ПЗУ, устройства сопряжения УС1... УСЗ, циф­ровой датчик положения ДП и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. Сигнал задания положения S_3n поступает (задается) с терми­нала Т, подключаемого к микропроцессорной системе через УСЗ.

Работа цифрового регулятора положения на основе микропро­цессорной системы может основываться на одном из двух принци­пов. Первый из них предусматривает реализацию статической ха­рактеристики регулятора в виде параболы, которая обеспечивает оптимальный график движения ЭП, показанный на рис. 3.3. Такой регулятор можно реализовать программным путем, записав в ПЗУ эту нелинейную характеристику.

Второй принцип работы РП основывается на вычислении момен­та начала торможения ЭП, что также позволяет получить показанные на рис. 3.3 кривые движения. Рассмотрим этот способ подробнее.

Реализация способа основана на том, что при известных уста­новившейся скорости со _ст и ускорении а = (М - M_c)/J, где / - мо­мент инерции ЭП, могут быть рассчитаны время /_т и путь S_r на уча­стке торможения ЭП в конце отработки заданного перемещения S по следующим формулам:

Алгоритм работы микропроцессорной системы при выработке сигнала на торможение приведен на рис. 11.29, б. Для его реализа­ции в микропроцессорную систему вводятся данные по величинам to , a, S и сигнал датчика положения S_п , пропорциональный текущему положению вала двигателя и исполнительного органа. Мик­ропроцессорная система производит вычисление по (11.14) вели­чин t_T и S_зп и разности S₁ = S_зп - S_т, Затем сопоставляется значение разности S₁ с сигналом датчика положения S_n. Как только S_] станет равной S_n, от микропроцессорной системы выдается команда на тор­можение ЭП, начинается отсчет выдержки времени t_T и по истече­нии этого времени выработается команда на его отключение.

9. Замкнутая схема управления асинхронного ЭП, выполненного по системе «тиристорный регулятор напряжения - двигатель» (ТРН-АД)

Рассмотрим схему регулирования скорости АД с контактными коль­цами и обратной связью по скорости (рис. 11.30, а). В этой схеме между сетью и статором АД включен тиристорный регулятор на­пряжения ТРН, силовую часть которого образуют три пары соеди­ненных встречно-параллельно тиристоров VS1... VS6. Управляющие электроды тиристоров подсоединены к выходам СИФУ, которая распределяет управляющие импульсы на все тиристоры и осуще­ствляет их сдвиг в зависимости от входного сигнала управления U,. К валу двигателя для реализации обратной связи по скорости под­соединен тахогенератор ТГ, ЭДС которого Е_тг сравнивается с за­дающим напряжением скорости U ., снимаемым с задающего потенциометра ЗП. Эти напряжения действуют навстречу друг другу и их разность образует сигнал управления

который поступает на вход СИФУ. При увеличении этого сигнала угол управления тиристорами уменьшается, а подаваемое на дви­гатель напряжение увеличивается, и наоборот. Важно отметить, что при снижении скорости АД в цепи ротора выделяются потери мощ­ности (потери скольжения), которые вызывают его дополнитель­ный нагрев и снижают экономичность работы ЭП. Для облегчения теплового режима при работе двигателя на пониженных скоростях в цепь его ротора включается добавочный резистор R₂ , наличие кото­рого позволяет также расширить диапазон регулирования скорости.

Рассмотрим работу ЭП при изменении момента нагрузки М_с на валу двигателя и постоянном сигнале задания скорости /7_зс2. Допу­стим, что в исходном положении АД работал в точке / с моментом нагрузки М_с1 (см. рис. 11.30,6), а затем произошло его увеличение до значения Л/,. В этом случае скорость начнет снижаться и соот­ветственно начнет уменьшаться ЭДС тахогенератора Е_тг, что вы­зовет согласно (11.15) увеличение напряжения управления U и уменьшение угла управления тиристорами, а значит, приведет к уве­личению подаваемого на АД напряжения. Момент АД будет увели­чиваться и в точке 2 сравняется с моментом нагрузки M._v Таким образом, увеличение момента нагрузки приводит к небольшому сни­жению скорости АД, или, другими словами, его характеристики становятся жесткими. При уменьшении момента нагрузки М_с будет автоматически происходить снижение напряжения на АД, т.е. его скорость вращения будет поддерживаться на заданном уровне.

Изменяя с помощью потенциометра ЗП значение задающего на­пряжения скорости U , можно получить ряд механических харак­теристик электропривода с относительно высокой жесткостью и не­обходимой перегрузочной способностью АД.