3.14. Оптимизация динамических режимов электропривода по принципу подчиненного регулирования координат

Эффективным средством формирования переходных процессов с заданным качеством является принцип подчиненного регулирования координат электропривода Его сущность состоит в том, что для регулирования каждой координаты электропривода используется отдельный регулятор (см. рис. 29) и соответствующая жесткая отрицательная обратная связь Контуры регулирования координат образуют при этом концентрическую систему, в которой каждый внутренний контур управляется сигналом от внешнего контура, т. е. является подчиненным по отношению к нему. Такое построение позволяет произвести оптимальную настройку с заданным качеством каждого контура и одновременно подчинить работу всех внутренних контуров регулированию основной выходной координаты системы.

В общем случае настройка контуров и выбор параметров регуляторов координат производятся по техническому (модульному) или симметричному оптимуму

При техническом оптимуме с помощью регулятора обеспечивается следующая желаемая передаточная функция разомкнутого оптимизированного контура:

(3.146)

где Тμ– некоторая постоянная времени контура;k_о,с– коэффициент обратной связи

При реализации такой передаточной функции переходный процесс в контуре отображается кривой рис 2.10 и характеризуется перерегулированием Х=4,3 °/о и временем регулированияt₁=4,1Tμ.

Настройка на технический оптимум системы производится исходя из того условия, что постоянные времени каждого последующего контура больше предыдущего в 2 раза, т е. Т_μi/T_μi–1=2,гдеi– номер контура. Такая настройка обеспечивает следующие показатели переходного процесса: приi=2X=8 %,t₁=7T_μ; приi=3X=6,2 %,t₁=13,6T_μ.

При настройке контура на симметричный оптимум передаточная функция разомкнутого оптимизированного контура имеет вид

(3.147)

Такая настройка в электроприводе обеспечивает астатическое регулирование координат и высокое быстродействие при отработке возмущающих воздействий, но переходные процессы при скачкообразных изменениях управляющих воздействий происходят с большим перерегулированием, доходящим до 55 %.

В системах автоматизированного электропривода постоянного и переменного тока в общем случае осуществляется регулирование тока, момента, напряжения, ЭДС, магнитного потока, скорости и положения как по техническому, так и по симметричному оптимумам. Здесь рассматриваются принципы построения и расчета электропривода по системе тиристорный преобразователь – ДПТ независимого возбуждения (ТП–ДПТ НВ), в котором осуществляется регулирование скорости по принципу подчиненного регулирования с настройкой контуров на технический оптимум.

в) Система регулирования скорости

Упрощенная структурная схема системы ТП–ДПТ НВ представлена на рис 3.66, а, где элементы привода – преобразовательПи ДПТМ– представлены своими передаточными функциями,k_пиT_п– коэффициент усиления и постоянная времени преобразователя;T_яиТ_м– постоянные времени соответственно цепи ДПТ и механической части привода.

Расчет и проектирование схемы управления электроприводом по принципу последовательной коррекции начинают с построения контура тока. Для этого в цепь управления вводится регулятор тока РТ(рис. 3 66,б) с неизвестной пока передаточной функциейW_p,т, на вход которого подаются сигналы задающейU_з,ти отрицательной обратной связи до токуU_o,т=k_тI.

Искомая передаточная функция регулятора тока W_p,тищется путем приравнивания желаемой передаточной функции разомкнутого оптимизированного контура (3.146) и передаточной функции W_раз,т, образованной регулятором токаРТ,преобразователемIIи якоремЦЯ (ПиЦЯобразуют объект регулирования для контура тока с передаточной функциейW_о,т),

(3.148)

откуда получаем

(3.149)

Обычно принимают постоянную времени контура тока Т_μравной небольшой (около 0,01 с) постоянной времени преобразователяТ_п.

Тогда передаточная функция регулятора тока принимает вид

(3.150)

где Т_и=k_тk_п2Т_п/R_я– постоянная времени регулятора.

Из (3.150) видно, что регулятор тока для рассматриваемого случая представляет собой пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор.

Передаточная функция замкнутого контура тока определится как

(3.151)

т. е. замкнутый контур представляет собой систему второго порядка с малой постоянной времени Т_п. Другими словами, введение регулятора тока с передаточной функцией вида (3.150) позволило скомпенсировать большую постоянную времени цепи якоряТ_яи обеспечить оптимальный характер переходных процессов с отмеченными ранее показателями (см. рис. 2.10).

После расчета контура тока производится расчет и построение контура скорости. Для этого в систему вводятся регулятор скорости PCс неизвестной пока передаточной функциейW_p,cи отрицательная обратная связь по скорости с коэффициентомk_c(рис. 3.66,в). После образования контура скорости контур тока, представленный на рис. 3.65,впередаточной функциейW_зам,т, оказался внутренним (подчиненным) для контура скорости, так как управляющий сигналU_з,тна регулятор тока поступает с выхода регулятора скорости.

Передаточную функцию регулятора скорости определяют, как и для регулятора тока, по передаточной функции объекта регулирования скорости W_o,с, состоящему из контура тока и механической части привода, и желаемой передаточной функции разомкнутой системы регулирования скоростиW_pаз,c.

Если пренебречь в (3.151) членом второго порядка 2Т²_пр², то передаточная функцияW_o,спримет вид

(3.152)

Желаемая передаточная функция разомкнутой системы W_paз,cопределяется выражением (3.146) при подстановке в негоk_o,c=k_cиТμ=2Т_п

(3.153)

Разделив выражение (3.153) на (3.152), получим искомую передаточную функцию регулятора скорости W_р,с

(3.154)

Из (3.154) следует, что регулятор скорости представляет собой пропорциональный (П) регулятор, при включении которого оказывается скомпенсирована другая значительная постоянная времени электропривода T_м.

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид

(3.155)

т. е. вся система электропривода представляет собой колебательное звено второго порядка, и в ней за счет настройки регуляторов тока и скорости в соответствии с их передаточными функциями обеспечивается оптимальное регулирование тока и скорости.

Рассмотрим статические характеристики электропривода, построенного по принципу подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией.

Большое достоинство систем с подчиненным регулированием состоит в простоте ограничения координат электропривода. Так, для ограничения тока якоря ДПТ и, следовательно, его момента необходимо ограничить на соответствующем уровне выходное напряжение регулятора скорости U_з,т.Для этого статическая характеристика регулятора скоростиPCдолжна иметь ограничение, как показано на рис. 3.66,в. В результате этого обеспечивается участокIстатических характеристик электропривода, показанных на рис. 3.67.

Выражение для участка IIстатической механической характеристики ДПТ может быть получено из условия равенства нулю напряжения управления на входе регулятора тока. При этом после несложных преобразований можно получить следующее выражение:

(3.156)

Статические механические характеристики электропривода, построенные по (3.156) для разных соотношений T_пиT_м, показаны на рис. 3.67. Так как параметры регуляторов выбираются из условия обеспечения заданного качества переходного процесса, то жесткость механических характеристик на участкеIIоказывается неконтролируемой и обычно невысокой. Отметим, что при симметричном оптимуме статические характеристики привода на участкеIIгоризонтальны, т. е. электропривод является астатической системой по скорости.

б) Техническая реализация систем подчиненного регулирования

Широкому распространению систем подчиненного регулирования способствует помимо отмеченных достоинств выпуск промышленностью унифицированной блочной системы регуляторов (УБСР).

Эта система имеет несколько ветвей: аналоговую, выполняемую на обычных элементах электроники УБСР-А и на интегральных микросхемах УБСР-АИ, и цифровую – на обычных элементах УБСР-Д и на интегральных микросхемах УБСР-ДИ.

Аналоговая ветвь УБСР-А состоит из небольшого количества элементов – транзисторных усилителей постоянного тока, датчиков регулируемых параметров и командных задающих устройств, функциональных преобразователей и источников питания. В системе принят электрический сигнал постоянного тока напряжением 0±24 В, 0±10 мА, что позволяет собирать элементы системы в разных сочетаниях и выполнять их на базе серийных транзисторов общего назначения.

Основным элементом системы, с помощью которого выполняются схемы различных регуляторе электропривода, служит операционный усилитель постоянного тока УПТ-3 с высоким коэффициентом усиления (более 1000) и относительно малым дрейфом нуля.

Вторым типом усилителя системы УБСР-А является усилитель мощности УПТ 5, предназначенный для работы с внешними исполнительными устройствами с параметрами входных сигналов, отличающимися от принятых в системе. Кроме того, усилитель УПТ-5 можно использовать в качестве операционного.

При введении соответствующих обратных связей операционный усилитель может обеспечивать масштабное преобразование (усиление или ослабление) входной величины, ее интегрирование или дифференцирование, а также осуществлять пропорционально-интегральный (ПИ) и интегрально-пропорционально-дифференциальный (ИПД) законы управления электроприводом.

Для примера на рис. 3.68 показаны схемы П - и ПИ-регуляторов, собранных на базе операционного усилителя ОУ. Сигнал на выходе П-регулятора (рис. 3.68,а) пропорционален входному, т. е.U_вых=kU_вх, гдеk=R_o,c/R₁,откуда передаточная функция П-регулятора

(3.157)

Сигнал на выходе ПИ-регулятора (рис. 3.68, б) пропорционален входному сигналу и интегралу от входного сигнала, т. е.

(3.158)

гдеT₀=R_о,сС,k=R_о,с/R₁.

Передаточная функция ПИ-регулятора, соответствующая выражению (3.158), имеет вид

(3.159)

где T_и=T₀/k=R₁C.

Рассмотрим порядок расчета параметров регуляторов системы с подчиненным регулированием координат, реализуемых на базе операционных усилителей. Основой этого расчета является условие эквивалентности требуемых передаточных функций регуляторов тока (3.150) и скорости (3.154) и передаточных функций ПИ-регулятора (3.159) и П регулятора (3.157). Для реализации передаточной функции регулятора тока вида (3.150) параметры ПИ-регулятора (рис. 3.68, 6) должны удовлетворять следующим условиям:

(3.160)

которые после несложных преобразований можно представить в виде

(3.161)

Для реализации передаточной функции регулятора скорости вида (3.154) параметры П-регулятора (рис. 3.68, а) должны удовлетворять следующим условиям:

(3.162)

Пример расчета параметров регуляторов системы с подчиненным регулированием координат приведен в [13].

На рис. 3.68, вприведена структурная схема электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием координат. ДвигательМ получает питание от управляемого вентильного преобразователя УП. На валу ДПТ установлен тахогенераторBR,вырабатывающий сигнал обратной связи по скоростиU_o,c=k_c.Этот сигнал поступает на вход регулятора скоростиPCвместе с сигналом задания скоростиU_з,c.

Сигнал обратной связи по току U_о,т=k_тIвырабатывает датчик токаДТ,который, в свою очередь, получает сигнал с резистораR_ш, включенного в цепь якоря ДПТ. СигналU_o,тпоступает на вход регулятора тока вместе с сигналом задания токаU_з,т, снимаемого с выходаPC. Выходной сигналРТU_у, поступает в СИФУ преобразователем, которая осуществляет управление его вентилями.

Ограничение тока якоря обеспечивается стабилитронами VI, V2. Задающее напряжение сигнала скоростиU_з,сможет поступать на вход системы от задатчика интенсивности или другого источника задающего сигнала.

в) Пример электропривода, построенного по принципу подчиненного регулирования координат

Рассмотрим схему комплектного электропривода серии БУ 3608, построенного по принципу подчиненного регулирования координат. Устройства этой серии предназначены для создания на базе малоинерционных ДПТ - типа ПГТ, 2П и ПБСТ быстродействующих реверсивных электроприводов мощностью от 0,5 до 18,5 кВт с широким диапазоном регулирования скорости (до 10000: 1).

Эти устройства используют в электроприводах подач высокоточных копировальных станков, универсальных станков типа «обрабатывающий центр», станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и в других производственных механизмах. Для работы от системы ЧПУ предусмотрены специальные панели связи, преобразующие импульсные сигналы на выходе системы ЧПУ в аналоговые, подаваемые на вход регулятора скорости.

На рис. 3.69 показана упрощенная (без блоков питания, связи, логики, дополнительного токоограничения и некоторых других элементов) схема комплектного электропривода серии БУ 3608.

Силовая часть схемы образована трехфазным управляемым мостовым выпрямителем (преобразователем), собранным на тиристорах VS1–VS6.ЦепочкиRC,включенные параллельно тиристорам, служат для их защиты от коммутационных перенапряжений. Реверс ДПТ осуществляется с помощью тиристорного коммутатора, собранного на тиристорахVS7–VS10.При включении тиристоровVS7иVS10ДПТ вращается в одном направлении, при включенииVS8иVS9полярность напряжения на якоре ДПТ изменяется и он реверсируется.

Для сглаживания пульсаций тока в якорную цепь включен дроссель L.С помощью вольтметраPVи амперметраРА,работающего от шунтаRS,контролируют напряжение и ток ДПТ.

Напряжение на вход преобразователя поступает со вторичных обмоток трансформатора Тчерез рубильникQ. Другой комплект вторичных обмоток этого трансформатора предназначен для питания обмотки возбуждения ДПТОВчерез неуправляемый выпрямительVD1.

Импульсы управления поступают на тиристоры VS1–VS10от устройства вводаVS,один из каналов которого показан на рис. 3.69. В схему управления тиристорами входят также панель управляющего органаПУОи панель формирования импульсовПФИ, которые обеспечивают фазовый сдвиг управляющих импульсов в зависимости от выходного сигналаU_р,трегулятора токаРТи формирование этих импульсов.

Регулятор тока РТвыполнен на базе операционного усилителя (см. рис. 3.68,б) по схеме ПИ-регулятора Требуемая передаточная функция регулятора, имеющая вид выражения (3.150), обеспечивается включением в цепь обратной связи операционного усилителя резистораR2и конденсатораС2.Сигнал обратной связи по токуU_o,тпоступает на входРТс выхода неуправляемого выпрямителяVD2,который питается от трансформаторов токаТA1–ТАЗ,измеряющих ток в силовой цепи электропривода.

На второй вход регулятора тока поступает сигнал U_p,сот регулятора скоростиPC, собранный в этом устройстве также по схеме ПИ-регулятора на базе операционного усилителя. Применение ПИ-регулятора, а не рассмотренного ранее П-регулятора скорости позволяет в данном устройстве управления получить абсолютно жесткую механическую характеристику электропривода и реализовать построение системы по симметричному оптимуму.

Сигнал обратной связи по скорости ДПТ U_о,cвырабатывается тахогенераторомBR,расположенным на валу ДПТ Задающее напряжение системыU_з,сустанавливают с помощью потенциометраRPI,получающего питание от источника напряжения ±10 В через контакты управляющих релеК1иК2.Включение этих реле производят с помощью кнопок управленияSB1иSB2, а отключение – кнопкойSB3.

Основные панели данного устройства управления выполнены с применением интегральных микросхем. Комплектное устройство имеет открытое исполнение с возможностью монтажа в нормализованных шкафах, используемых в крупноблочных устройствах управления электроприводами.