ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

ПОЗИЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

Широко развивающиеся в последнее время механизация и ав­томатизация производственных процессов обусловили все возрас­тающее использование в различных отраслях народного хозяйст­ва позиционных электроприводов, снабженных системой автома­тического регулирования положения и предназначенных для пере­мещения управляемых механизмов в фиксированное положение с требуемой точностью.

Использование полупроводниковых преобразователей напря­жения для управления асинхронным двигателем позволяет приме­нять его в качестве исполнительного органа позиционных систем..

Отработка заданных программных перемещений может быть обеспечена при использовании позиционных асинхронных электро­приводов с релейным управлением [6, 107—109], обладающим максимальным быстродействием в пускотормозных режимах, так как в этом случае двигатель работает на предельных характери­стиках. Структура асинхронного позиционного электропривода за­висит от требуемой точности обработки программных перемещений 40, значения тормозного пути электропривода при торможении с максимальной скорости фтт и возможного разброса пути тормо­жения Дфт. Используя совокупность этих параметров, можно вы­делить три типа релейных позиционных систем:

1) системы, в которых как путь торможения, так и его разброс меньше требуемой точности отработки, Д0>фтто, Д0>Дфт;

2) системы, в которых путь торможения больше, а его возмож­ный разброс меньше, чем точность отработки, Д0<фтпъ Л0>Дфт;

3) системы, в которых как путь торможения, так и возможный его разброс больше, чем точность отработки, Д0<фтт, Д0<ДфТ.

Наиболее просты по реализации системы первого типа, которые могут быть выполнены без использования информации о текущей

скорости двигателя [77]. Режимами двигателя управляет трех­позиционный релейный элемент (рис. 4.24,а) с зоной нечувстви­тельности, имеющий уровень включения 01=±Л0 и отключения 02=±&ВЛ0, где kB—коэффициент возврата релейного элемента, £в=0-^1. На вход РЭ поступает сигнал рассогласования по поло­жению Дср—фз—ф, где фэ — задание на перемещение; ф — текущее положение управляемого механизма. Релейный элемент управля­ет ЛПУ. Если Дф>±Д0, то включается группа тиристоров, обес­печивающая работу двигателя на предельной механической харак­теристике, соответствующей направлению вращения «Вперед». При Дф<—Д0 реализуется предельная характеристика, соответ­ствующая вращению «Назад». Если | Лф|^|©21, электропривод пе­реводится в режим динамического торможения. Интенсивность

неуправляемых пускотормозных режимов задается с помощью уг­ла a=const, значение которого для В (Н) и ДТ устанавливается с помощью блока задания (БЗ), управляемого с выхода ЛПУ (рис. 4.24,а). Таким образом, при отработке перемещений в зави­симости от положения РЭ электропривод работает на одной из трех предельных механических характеристик. Фазовые траекто­рии, иллюстрирующие процесс позиционирования, показаны на рис. 4.25,а. Когда рассогласование в системе достигает значения 02 (на рис. 4.25 принято, что kB=0 и 02=0), электропривод перехо­дит на тормозную траекторию, однако по окончании торможения не выходит из зоны нечувствительности, так как выполняется ус» ловие срТ7П<Д0. Если механизмы должны занимать фиксирован­ные, заранее известные положения на пути перемещения, то от­сутствует необходимость в непрерывном вычислении ошибки Дф. Достаточно лишь формировать сигнал знака ошибки (для выбора направления перемещения) и переводить электропривод в тормоз­ной режим по команде датчиков точной остановки (ДТО), уста­навливаемых в требуемых фиксированных точках.

Блок-схема релейной позиционной системы второго типа при­ведена на рис. 4.24,6. Для получения высокого быстродействия не­обходимо организовать предварение торможения и обеспечить ав­томатический перевод электропривода в тормозной режим, когда текущее рассогласование равно пути торможения электропривода с данной скорости, т. е. Дф=фт. Совокупность точек переключения релейного элемента, разграничивающая двигательный и тормоз­ной режимы электропривода при различных начальных рассогла­сованиях (Дфнач) в системе, представляет собой на фазовой пло - 11—6279 161

скости линию переключения (линия ЛОВ на рис. 4.25,6, в). Линия переключения может быть описана уравнениями, характеризующи­ми тормозной режим [110]:

(4.109)

где Шт — скорость, при которой электропривод переходит в тор­мозной режим; т(со) — механическая характеристика двигателя в тормозном режиме; тс(со)—момент статической нагрузки (знак «—» относится к реактивному моменту, а «-}-»— к актив­ному моменту сопротивления).

При создании релейных систем предварение торможения реа­лизуется обычно за счет введения нелинейной обратной связи по скорости /(о) (рис. 4.24,6). Так как на фазовой плоскости урав­нение линии переключения представляет собой зависимость пути торможения от скорости фт=/(со), то вид нелинейной зависимости f(со) для асинхронного электропривода может быть рассчитан по

(4.109) . Выражения для определения фт=/(со) при торможении противовключением или динамическом торможении, когда тс= =const, приведены в [109, 111].

Таким образом, как следует из схемы рис. 4.24,6, при Аф=фт начинается процесс торможения электропривода. Фазовые траек­тории для этого случая приведены на рис. 4.25,6. Из-за отличия параметров электропривода от расчетных тормозные траектории электропривода отличаются от оптимальной (кривая 1, рис. 4.25,6). Кривые 2, 3 качественно отражают реальные тормозные траектории на фазовой плоскости. Как следует из определения этого типа позиционных электроприводов, Афт не превышает Д6, поэтому при движении по траекториям 2,3 не происходит переклю­чений релейного элемента, а по окончании торможения управляє* мый механизм не выходит из зоны нечувствительности.

Позиционные системы третьего типа принципиально могут быть выполнены в соответствии со схемой рис. 4.24,6. Однако при дви­жении по реальным тормозным траекториям 2, 3 (рис. 4.25,в) возникающая ошибка (Дф—фт) может превышать Д0, в этом слу­чае происходят частые переключения релейного элемента, а следо­вательно, и двигателя, т. е. возникает так называемый скользящий режим [110]. Такой режим при трехфазном исполнительном асин­хронном двигателе является нежелательным, так как частые ком­мутации двигателя при незатухшем магнитном поле могут значи­тельно изменить вид механической характеристики и тормозной траектории по сравнению с расчетной и привести к автоколеба­ниям системы в положении точной остановки. Поэтому целесооб­разно так изменить структуру системы [6, 108], чтобы при Дф=^фт электропривод двигался по тормозной траектории, не переключа­ясь, до нулевой скорости. Если же при со=0 | Дф | >Дв, то это рас­согласование отрабатывается асинхронным электроприводом в ре­жиме пониженной скорости сопон (рис. 4.25,в). Значение понижен-

ной скорости выбирается из условия, чтобы путь торможения с этой скорости фт. пон был меньше, чем требуемая точность отработ­ки А0. Выражения для расчета соПон=/(А0) при разных способах торможения приведены в [109, 111].

Анализ релейных позиционных систем с исполнительным асин­хронным двигателем показывает, что при работе на неуправляе­мых предельных траекториях из-за существенного разброса вида механических тормозных характеристик и при значительном изме­нении параметров электропривода трудно обеспечить высокие тре­бования по точности позиционирования. В этом случае необходи­мо вводить обратные связи по скорости и обеспечивать доводку механизма до зоны точной остановки на пониженной скорости, что увеличивает время отработки программных перемещений и ухуд­шает энергетические показатели асинхронного электропривода при использовании параметрических способов управления, обусловли­вает необходимость существенного увеличения мощности двигате­ля (см. гл. 5).

Разработка методов синтеза САР скорости с исполнительным асинхронным двигателем позволяет строить позиционные электро­приводы с непрерывным управлением и синтезировать контур по­ложения по методу подчиненного регулирования переменных. При отработке больших перемещений такие системы приближаются к релейным, но позволяют получить более высокую точность позици­онирования. Важно отметить, что требуемая точность может быть обеспечена путем управления тормозной траекторией электропри­вода в замкнутой САУ без использования режима пониженной скорости, что увеличивает быстродействие при отработке переме­щений, улучшает энергетику электропривода и позволяет снизить установленную мощность двигателя.

На рис. 4.26 приведена функциональная схема позиционного асинхронного электропривода с непрерывным управлением при использовании в статорных цепях полупроводниковых регуляторов напряжения. Система содержит внутренний контур скорости, син­тез которого выполнен в соответствии с предложенной методикой (см. § 4.2, 4.3), и внешний контур положения. Как видно из рис.

4.26, передаточная функция объекта регулирования положения W7on (р) зависит от вида регулятора скорости. При синтезе PC по 11* 163

=-------------- г-1--------------------- L. (4.110)

*д, с(й£^ + 2^р+1) р

Отбрасывая в знаменателе (4.110) член второго порядка [97],

получаем

WoAP) = кал{2т^+ )р' (4Л11)

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура регу­лирования положения

Гж „ (р) = JtleL '—__ (4.112)

¥ зІР) fln2V(2V+ 1)

где ап — коэффициент соотношения постоянных времени в контуре положения, определяющий коэффициент демпфирования в системе.

Используя (4.111), (4.112), получаем передаточную функцию регулятора положения (РП):

WV П (Р) = ■ 'Гж п(£-) --- 1д’с------------- = (4.113)

т. е. регулятор положения представляет собой безынерционное зве­но С коэффициентом усиления &р, п.

Для отработки позиционных перемещений без перерегулирова­ния необходимо взять ап=4, что обеспечит монотонный переход­ный процесс [29, 97].

При работе позиционного электропривода в линейной зоне, когда отсутствуют ограничения по моменту и скорости, РП, синте­зированный в соответствии с (4.113), обеспечит стандартные пере­ходные процессы, в частности одинаковое время позиционирова­ния, не зависящее от заданного перемещения и при аи=А соот­ветствующее 12Т|х [98]. Однако перемещения, отрабатываемые в линейной зоне, очень малы., поэтому в реальных объектах проис­ходит отработка средних, когда ограничен момент (ускорение) двигателя, или больших, когда ограничены момент и максималь­ная скорость перемещений, т. е. имеет место условное (или без­условное) ограничение координат и позиционные электроприводы являются нелинейными системами. В этом случае коэффициент усиления kVtU должен быть рассчитан таким образом, чтобы обес­печить оптимальную по быстродействию отработку перемещений. При работе электропривода на предельных характеристиках эта задача, как и в системах релейного типа, должна решаться путем предварения торможения и перевода электропривода в тормозной режим, когда Аф=фт.

Определим £р, п при отработке наибольшего среднего переме­щения, так называемого «настроечного» перемещения Дфн [97], когда тахограмма имеет треугольный характер при скорости на­чала торможения о)т, равной максимальной скорости электропри­вода СОтах. Путь ТОрМОЖЄНИЯ С ДЭННОЙ СКОрОСТИ, КОТОРЫЙ будет 164

максимальным (фТтах), может быть определен по (4.109) при из­вестном законе m(со) и тс(со). Сигнал задания на скорость свя­зан с текущей ошибкой следующим соотношением:

(4.114)

ка, с

Считая, что торможение начинается при со3^сотах, чему долж­на соответствовать текущая ошибка Д<р=фТтол:, рассчитаем коэф­фициент усиления регулятора положения

= (4115)

max

При отработке «настроечного» и больших перемещений, когда начальное рассогласование Дфнач^Дфн, торможение электропри­вода всегда начинается со скорости (от=сотеал: при рассогласовании Дф=фттад.. Обеспечив &Р)П в соответствии с (4.115), получим в этом случае оптимальную по быстродействию отработку перемеще­ний без перерегулирования. Статическая ошибка позиционирова­ния Дфс зависит от типа регулятора скорости. Так, при использо­вании П-регулятора по окончании процесса отработки, когда со= =0, на входе контура скорости будет присутствовать сигнал со3= = Дсос и, используя (4.84), (4.114), получаем

д ______ &д, сА<ос ^а, схр. тс ^4 116)

^р. П^Д. П "^р. П^Д. П

где kv>n определяется из (4.115). При применении ПИ-регулятора скорости (когда Дсос^О) статическая ошибка определяется инстру­ментальной точностью САУ.

Когда электропривод отрабатывает начальные перемещения Дфнач<Д'фн> процесс ТОрмОЖеНИЯ ДОЛЖЄН НЭЧаТЬСЯ При <От <СОтпал:» когда Діф<фттах - При выборе kv, n по (4.115) торможение реализу­ется раньше, чем это требуется по условиям оптимального быстро­действия. Поэтому на тормозной траектории появляется участок «дотягивания», когда замедления значительно ниже предельно возможных, что увеличивает время отработки рассогласований. Время отработки перемещений :ДфНач<Афн будет примерно равно времени отработки настроечного перемещения. Осциллограммы рис. 4.27 иллюстрируют процесс отработки различных перемеще­ний при использовании линейного регулятора положения. Позици­онный электропривод выполнен на основе САР скорости, схема которой показана на рис. 4.15. На вход Ua3 САР скорости посту­пает сигнал с регулятора положения. Если режим динамического торможения не используется, то применяется двухпозиционное ЛПУ (режимы В и Н).

Для уменьшения времени отработки средних перемещений регу­лятор положения должен иметь переменный коэффициент усиле­ния, определяемый ИЗ следующего условия: при (От<СПтах тормо­жение должно начаться тогда, когда оставшееся рассогласование равно пути торможения с данной скорости. В этом случае линия переключения будет совпадать с тормозной траекторией электро-

Рис. 4.27. Осциллограммы отработки настроечного (а) и среднего (б) перемеще* ния позиционным асинхронным электроприводом (электродвигатель МТ012-6, r= 1, дс=0,05, /=4/д» х^^З.14. Использовано торможение противовключением):

п — Дфнач=62,8 рад;б—Дфнач=15,7 рад

привода. При о)т< сотах каждой текущей ошибке Дф соответствует вполне определенная скорость (0Т, при торможении с которой фт= =Дф, т. е. существует определенная функциональная зависимость о)т=/1(Дф), которая может быть определена из (4.109). Так как торможение начинается при со3=со, то

= ■ <4Л17)

Ад

т. е. kv>If=f2 (Дф) и зависит от законов т(со) и /?гс(со). Напряже­ние на выходе регулятора положения, равное сигналу задания на скорость (Uv, n=UaJ, должно быть связано с текущей ошибкой следующей зависимостью:

Uv, n=kniCf (Дф), (4.118)

т. е. для оптимизации по быстродействию режимов отработки средних перемещений необходимо использовать нелинейный регу­лятор положения. Так как коэффициент усиления нелинейного ре­гулятора положения при малых ошибках стремится к бесконечно­сти (4.117), то для исключения автоколебаний в зоне точной оста­новки функцию преобразования регулятора положения UVtn= =fі (Дф) на начальном участке целесообразно выполнить линей­ной, выбрав /гр, п на этом участке в соответствии с (4.113). Как показывает анализ, значение &р, п, определенное по (4.113) из ус­ловия оптимизации контура положения при отработке малых пе­ремещений, оказывается выше, чем рассчитанное по (4.115) для линейного регулятора при работе на максимальной скорости, что уменьшает статическую ошибку позиционирования в системах с П-регулятором скорости.

Таким образом, использование нели­нейного регулятора положения при от­работке электроприводом различных на­чальных рассогласований (включая большие и средние перемещения) позво­ляет увеличить быстродействие и точ­ность позиционного электропривода. На рис. 4.28 показана осциллограмма от­работки электроприводом, параметры которого соответствуют данным рис.

4.27, среднего перемещения при приме­нении нелинейного регулятора положе­ния.

Для максимального быстродействия при отработке электропривод должен работать на предельных механических характеристиках в пускотормозных ре­жимах, в частности при £/то=1 при торможении противовключением или 1 при динамическом торможе­нии. Зависимости т( со), соответствующие этим значениям, используются при расчете по (4.109) фт=/ (со) и сот=/і(Аф), а за­тем и при определении kp>n. Однако обеспечить оптимальную по быстродействию отработку различных начальных перемещений, т. е. соответствие реальных тормозных траекторий рассчитанной линии переключения, можно лишь в том случае, когда параметры электропривода m(co), тс(со), / точно равны расчетным значени­ям. В связи с этим в реальных электроприводах [из-за изменения т(со), /пс(со) и /] происходит увеличение времени отработки по сравнению с оптимальным, так как при позиционировании воз­можны участки «дотягивания» или перерегулирования.

Эти явления можно исключить, если, управляя моментом элек­тродвигателя, регламентировать тормозную траекторию электро­привода и обеспечить ее инвариантность по отношению к изменя­ющимся параметрам (тс, /). Для этой цели широко используют­ся задатчики интенсивности [97], располагаемые между РП и PC. Такое решение является необходимым еще и в тех случаях, когда по технологическим требованиям ряда механизмов (в лифтах, кра - нах-штабелерах, штыревых кранах и. т. д.) следует ограничивать темп изменения скорости в пускотормозных режимах.

Для линейных ЗИ, обеспечивающих торможение электроприво­да с замедлением bT=const,

фт=сот2/(26т). (4.119)

В соответствии с (4.119) kv, n определяется из следующих вы­ражений:

при отработке настроечного и больших перемещений

^р, п—2&д1сЬ'г/ (^д, п®та*) >

Функция преобразования нелинейного РП для этого случая за­писывается в виде

ир. п= kR'CV2bTA?. (4.122)

При использовании линейного ЗИ и нелинейного РП, реализо­ванного в соответствии с (4.122), линия переключения электро­привода на фазовой плоскости описывается (4.119), а тормозные траектории совпадают с ней и при изменении тс и /. Поэтому от­работка различных начальных рассогласований происходит без 168

дотягивания или перерегулирования при постоянстве ускорения (замедления) в переходных режимах. Осциллограммы, приведен­ные на рис. 4.29, иллюстрируют процесс отработки различных пе­ремещений при введении ЗИ. Параметры электропривода соответ­ствуют данным, приведенным для рис. 4.27. Однако в этом слу­чае в САР скорости используется трехпозиционное ЛПУ и в каче­стве тормозного режима применяется динамическое торможение. Как видно из рис. 4.29,в, темп торможения задан таким, что при реактивном статическом моменте |.ic=0,8 в процессе торможения электропривод работает в двигательном режиме.

Таким образом, применяя позиционные асинхронные электро­приводы с непрерывным управлением, синтезированные в соответ­ствии с рассмотренной методикой, можно обеспечить позициони­рование механизмов без режима доводочной пониженной скоро­сти. Как показывает анализ, при реально достижимой частоте среза контура скорости статическая ошибка A(pc^0,2-f-0,3 рад по валу исполнительного асинхронного двигателя. Такая точность является приемлемой для большого числа производственных ме­ханизмов. При необходимости (за счет введения ПИ-регулятора скорости) значение Дсрс может быть доведено до уровня аппара­турной точности используемых элементов.

Рассмотренные структуры позиционных асинхронных электро­приводов, когда система в течение всего цикла отработки замкну­та по положению и происходит определение текущего рассогласо­вания Аф, могут быть несколько видоизменены, если необходимо обеспечить точную остановку управляемых механизмов в задан­ных точках пути перемещения (в лифтах, подъемниках, штабеле - рах и др.). В этом случае система может быть замкнута по поло­жению только в зоне точной остановки [29]. Причем ширина этой зоны и структура САУ зависят от требуемой точности отра­ботки (А0), минимального пути перемещения между соседними фиксированными положениями и, следовательно, вида тахограм - мы (треугольной или трапецеидальной), разброса в пути тормо­жения (Афт)-

Если, в частности, установить путевые датчики (ПД) на рас­стоянии ±фтmax от заданной точки остановки и в этой зоне кон­тролировать положение механизма, то структура и свойства асин­хронного позиционного электропривода принципиально не будут отличаться от рассматриваемых ранее, с той лишь разницей, что замыкание системы по положению будет происходить только при срабатывании ПД, а на вход контура положения необходимо по­давать сигнал ф3 = фт max - Очевидно, зона датчика определения положения (ДОП) должна быть довольно широкой. При исполь­зовании путевых датчиков позиционный электропривод может быть построен с применением интегратора, на вход которого по­дается сигнал с датчика скорости. В этом случае при срабатыва­нии ПД система замыкается по положению и на вход РП через интегратор, который начинает работать только при срабатывании ПД, поступает сигнал, пропорциональный пути перемещения.

Если при отработке перемещений торможение электропривода всегда начинается с установившейся скорости (<атах), то структу­ра позиционного электропривода может быть упрощена за счет того, что при срабатывании ПД контур положения остается ра­зомкнутым, а электропривод переходит в режим торможения в замкнутой САР с задатчиком интенсивности, что стабилизирует тормозную траекторию, значительно уменьшая возможный раз­брос тормозного пути. Система замыкается по положению только при вхождении механизма в зону действия ДОП, которая намно­го уже, чем ±фт max - Такую структуру можно было бы использо­вать и в тех случаях, когда при срабатывании ПД скорость элек­тропривода различна, охотах- Однако при значительном разбро­се этих скоростей время отработки рассогласования возрастает, так как могут возникать режимы дотягивания, а при узкой зоне ДОП вообще может быть не обеспечено перемещение механизма в заданную точку остановки, так как при низких сот торможение^ закончится до вхождения в зону действия ДОП.

Для ряда механизмов позиционирование может быть реали­зовано без использования контура положения по следующему принципу: при срабатывании ПД начинается торможение элек­тропривода в замкнутой САР с ЗИ до требуемого значения о)ПОн, выбираемого таким образом, чтобы обеспечить фт, пон<СД0. Остав­шееся рассогласование электропривод отрабатывает в режиме по­ниженной скорости. По команде ДТО, устанавливаемого в задан­ной точке пути, происходит торможение электропривода до нуле­вой скорости. Для нормального функционирования такой схемы расстояние от ПД до фиксированной точки остановки механизма должно быть не менее фтmax, поэтому, если при срабатывании ПД (о<С(оТОа. х, значительно возрастают время позиционирования и время работы в режиме пониженной скорости, что ухудшает энер­гетические показатели электропривода. И, наконец, если при вхождении в зону работы ПД скорость электропривода всегда по­стоянна (f0=(0max), а при торможении по ЗИ возможный разброс пути торможения Афт<де, то можно вообще не контролировать положение механизма в зоне точной остановки, а реализовать по команде ПД режим торможения до нулевой скорости.