СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМ ПОЗИЦИОННЫМ СЛЕДЯЩИМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМ ПОЗИЦИОННЫМ СЛЕДЯЩИМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА


RU (11) 2071164 (13) C1

(51) 6 H02P5/06, G05B11/16 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 5064546/09 
(22) Дата подачи заявки: 1992.06.22 
(45) Опубликовано: 1996.12.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Авторское свидетельство СССР N 1064409, кл. H 02 P 5/06, 1983. 2. Авторское свидетельство СССР N 1432707, кл. H 02 P 5/06, 1988. 3. Элементы и системы оптимальной идентификации и управления технологическими процессами, Тула, 1988, с. 103 - 111. 
(71) Заявитель(и): Научно-исследовательский институт электромеханики 
(72) Автор(ы): Талов В.В.; Росляков С.М.; Немцов А.С.; Лавренко С.Б.; Котова Т.И. 
(73) Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт электромеханики 

(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМ ПОЗИЦИОННЫМ СЛЕДЯЩИМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления прецизионными позиционными следящими электропроводами постоянного тока с цифроаналоговыми и аналоговыми регуляторами положения, с вращающимися и линейными электродвигателями. Система содержит электродвигатель 1 постоянного тока, датчик положения 2, механически соединенный с подвижной частью электропривода, задатчик положения 3, измеритель 4 ошибки позиционирования, одним входом подсоединенный к выходу задатчика положения 3, вторым входом - к выходу датчика положения 2, узел сравнения 5, первым входом подсоединенный к выходу измерителя 4 ошибки позиционирования, регулятор положения 6, входом подсоединенный к выходу узла сравнения 5, а выходом - к входу широтно-импульсного преобразователя 7, подсоединенного выходом к электродвигателю постоянного тока 1, датчик 8 тока электродвигателя, инерционно-дифференцирующее звено 9, входом соединенное с выходом датчика 8 тока электродвигателя, а выходом - с вторым входом узла сравнения 5. Система управления позволяет точность позиционирования подвижной части электропривода за счет независимости ее от нагрузки электропривода и тем самым позволяет расширить его функциональные возможности и область применения. 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления прецизионными позиционными следящими электроприводами постоянного тока с цифроаналоговыми и аналоговыми регуляторами положения с вращающимися и линейными электродвигателями.

Известен позиционный электропривод (авт. св. СССР N 1064409, кл. Н 02 Р 5/06, БИ N 48, 1983), содержащий электродвигатель, подсоединенный к выходу преобразователя, последовательно соединенные задатчик положения, измеритель ошибки позиционирования в виде сумматора, регулятор положения, включающий в себя интегратор, усилитель, дифференцирующее звено и нелинейное звено типа "зона нечувствительности", датчик положения, соединенный выходом с вторым входом измерителя ошибки позиционирования, преобразователь, подсоединенный к выходу указанного нелинейного звена. Введение дифференцирующего звена позволяет повысить быстродействие электропривода, но повышает склонность электропривода к автоколебаниям. Введение нелинейного звена исключает возможность автоколебаний и тем самым повышает динамическую точность системы в целом.

Недостаток электропривода заключается в том, что он не позволяет производить прецизионное позиционирование, поскольку его погрешность позиционирования определяется не погрешностью датчика положения и коэффициентом передачи разомкнутой системы, а шириной зоны нечувствительности нелинейного звена. Кроме того, наличие зоны нечувствительности приведет также к увеличению коэффициента неравномерности движения подвижной части электропривода, особенно на высоких скоростях (по ГОСТу 27803-88 "Электроприводы, регулируемые для станкостроения и робототехники" коэффициент неравномерности движения это отношение разности максимальной и минимальной мгновенных значений скорости к их полусумме).

Известен также позиционный электропривод постоянного тока (авт. св. СССР N 1432707, кл. Н О2 Р 5/06, БИ N 39, 1988), содержащий электродвигатель, подключенный к вентильному преобразователю, последовательно соединенные блок ввода задания, измеритель ошибки позиционирования в виде комбинационного сумматора, входящего в регулятор положения, регулятор положения, регулятор скорости, регулятор тока, выход которого связан с входом вентильного преобразователя, датчики положения, скорости и тока, соединенные соответственно с вторыми входами измерителя ошибки позиционирования, регуляторов скорости и тока. Электропривод обладает быстродействием и точностью позиционирования за счет введения зависимости коэффициента усиления регулятора положения от величины мгновенной ошибки позиционирования, а также компенсации зоны нечувствительности регулятора, величина которой зависит от его коэффициента усиления.

Недостаток электропривода заключается в том, что обеспечение прецизионного позиционирования за счет введения в регулятор различного рода расчетных зависимостей его характеристик возможно только для конкретных параметров входящих в электропривод комплектующих изделий (резисторов, конденсаторов, усилителей и т. д.). При наличии технологического разброса параметров указанных изделий, их температурного дрейфа мы получаем не конкретную расчетную зависимость определенной характеристики регулятора, а некоторое поле расчетных зависимостей, при которых обеспечивается необходимая точность позиционирования, что затрудняет воспроизводимость точностных характеристик электропривода при переходе от одного образца к другому без соответствующей корректировки указанных расчетных зависимостей характеристик регулятора. Кроме того, очевидно существует зависимость величины сигнала компенсации зоны нечувствительности регулятора от величины нагрузки. Поэтому и в этом случае мы имеем дело не с конкретной расчетной зависимостью величины сигнала компенсации от величины коэффициента усиления регулятора, а с некоторым полем таких зависимостей в функции нагрузки, что также затрудняет воспроизводимость точностных характеристик электропривода.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является оптимальная система управления электроприводом координатного стола (Элементы и системы оптимальной идентификации и управления технологическими процессами, Тула, 1988, с. 103 111, РГ 45.41.33, УДК 62-83:621.313.2:62 - 526), содержащая электродвигатель постоянного тока, датчик положения, задатчик положения в виде узла цифрового задания перемещения, измеритель ошибки позиционирования в виде сумматора и цифроаналогового преобразователя, одним входом подсоединенный к выходу задатчика положения, вторым входом к выходу датчика положения, узел сравнения, первым входом подсоединенный к выходу измерителя ошибки позиционирования, регулятор положения, входом подсоединенный к выходу узла сравнения, широтно-импульсный преобразователь, входом подсоединенный к выходу регулятора положения, а выходом к электродвигателю постоянного тока, датчик тока электродвигателя.

Система позволяет осуществить прецизионное позиционирование координатного стола в режиме работы электродвигателя, близким к холостому ходу.

Недостаток системы состоит в том, что при нагрузке электродвигателя появляется некомпенсируемая составляющая ошибки позиционирования от тока нагрузки, приводящая к увеличению погрешности позиционирования.

Действительно, как следует из фиг. 2, на которой показано место включения в систему управления электроприводом координатного стола возмущения по нагрузке, и из фиг. 3, на которой изображена та же система управления в установившемся режиме, т.е. при р 0 и при условии, что коэффициенты усиления релейного регулятора положения и широтно-импульсного преобразователя (условно названного регулятором скорости) Kрп и Kрс равны ,

,

где вои в соответственно заданное и истинное значение положения вала микрометрического винта.

Таким образом, некомпенсируемая составляющая ошибки позиционирования от тока нагрузки равна , и она увеличивает погрешность позиционирования на указанную величину. Это является существенным недостатком системы управления, сужающим его функциональные возможности и область применения. Целью является уменьшение статической ошибки позиционирования путем исключения ее составляющей от тока нагрузки, т.е. повышение точности позиционирования подвижной части электропривода, что расширяет его функциональные возможности и область применения.

Цель осуществляется с помощью системы, содержащей электродвигатель постоянного тока, датчик положения, механически соединенный с подвижной частью электродвигателя, задатчик положения, измеритель ошибки позиционирования, одним входом подсоединенный к выходу задатчика положения, вторым входом к выходу датчика положения, узел сравнения, первым входом подсоединенный к выходу измерителя ошибки позиционирования, регулятор положения, входом подсоединенный к выходу узла сравнения, широтно-импульсный преобразователь, входом подсоединенный к выходу регулятора положения, а выходом к электродвигателю постоянного тока, датчик тока электродвигателя, в котором согласно изобретению введено инерционно-дифференцирующее звено с передаточной функцией

,

входом соединенное с выходом датчика тока, а выходом с вторым входом узла сравнения, при этом величина постоянной времени Тид указанного звена рассчитывается, исходя из условия обеспечения фазового сдвига между выходным и входным сигналами этого звена не более 10 электрических градусов на частотах, равных и выше частоты среза системы управления электроприводом с разомкнутой связью между выходом датчика положения и вторым входом измерителя ошибки позиционирования, а коэффициент передачи Кид рассчитывается из условия обеспечения устойчивости системы управления с замкнутой связью между выходом датчика положения и вторым входом измерителя ошибки позиционирования при коэффициенте усиления регулятора положения, теоретически стремящемся к бесконечности.

На фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема предлагаемой системы управления прецизионным позиционным следящим электроприводом постоянного тока. Она содержит электродвигатель 1 постоянного тока, датчик 2 положения, механически соединенный с подвижной частью электродвигателя, задатчик 3 положения, измеритель 4 ошибки позиционирования, одним входом подсоединенный к выходу задатчика 3 положения, вторым входом к выходу датчика 2 положения, узел 5 сравнения, первым входом подсоединенный к выходу измерителя 4 ошибки позиционирования, регулятор 6 положения, входом подсоединенный к выходу узла 5 сравнения, широтно-импульсный преобразователь 7, входом подсоединенный к выходу регулятора 6 положения, а выходом к электродвигателю 1, датчик 8 тока электродвигателя, инерционно-дифференцирующее звено 9, входом подсоединенное к выходу датчика 8 тока, а выходом к второму входу узла 5 сравнения.

На блок-схеме введены следующие обозначения:

S* задание текущего и конечного положений подвижной части электропривода, например в виде параллельного кода, линейно возрастающей аналоговой величины и т.д.

Sос текущее и конечное положения подвижной части электропривода;

Sос текущее и конечное положения подвижной части электропривода, отображенное датчиком положения в виде, например параллельного кода, аналоговой величины и т.д.

S истинное текущее и конечное положения подвижной части электропривода;

S величина ошибки позиционирования;

I выходной сигнал инерционно-дифференцирующего звена в переходных режимах системы;

S*,Uу соответственно входной и выходной сигналы регулятора положения;

Uп напряжение постоянного тока питания широтно-импульсного преобразователя;

I, U ток и напряжение электродвигателя.

В качестве электродвигателя 1 могут быть использованы линейный и вращающийся электродвигатели постоянного тока. Датчик 2 положения может быть выполнен, например в виде кодирующего преобразователя накапливающего типа для цифроаналоговых систем управления, в виде линейного дифференциального трансформатора для аналоговых систем, описанных (Дж. Вульвет. Датчики в цифровых системах, перевод с английского В.В. Малова, под ред. А.С. Яроменка, М. Энергоиздат, 1981, с. 93 97 и 192).

В качестве задатчика 3 положения может быть использована персональная ЭВМ (ПЭВМ) любого типа, которая может задавать программным способом текущее и конечное положения подвижной части электропривода, например в виде параллельного кода, в виде аналоговой величины любой конфигурации.

Измеритель 4 ошибки позиционирования может быть выполнен для цифроаналоговых систем управления в виде сумматора, описанного (Герман-Галкин С.Г. Лебедев В. Д. Марков Б.А. Чичерин Н.И. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями, Л. Энергоатомиздат, 1986, с. 72 74), а для аналоговых систем на операционных усилителях серий 140, 153, аналогично устройствам, описанным (Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре, "Советское радио", М. 1979, с. 148 155).

Регулятор 6 положения и инерционно-дифференцирующее звено 9 могут быть выполнены на операционных усилителях серий 140, 153, 154 в виде устройств, описанных (Гарнов В.К. Рабинович В.Б, Вишневецкий Л.М. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии, "Металлургия", М. 1971, с. 42 59).

Широтно-импульсный преобразователь 7 может быть выполнен аналогично устройствам, описанным Герман-Галкин С.Г. Лебедев В.Д. Марков Б.А. Чичерин Н.И. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями, Л. Энергоатомиздат, 1986, с. 36 38, 55, 57).

Датчик 8 тока может быть выполнен в виде устройства, описанного (Слежановский О.В. Реверсивный электропривод постоянного тока, Металлургия, 1967, с. 176 177).

Схема работает следующим образом (описание приводится для варианта цифроаналоговой системы управления).

Если в рассматриваемом варианте в качестве задатчика 3 положения используется ПЭВМ, то на ее выходе сначала формируется сигнал S*, определяющий исходное положение подвижной части электропривода (оно может быть любым, заранее определенным при разработке системы), в виде, например, параллельного кода, значение которого соответствует коду реперной точки датчика 2 положения. Если сигнал Sос на выходе датчика 2 положения также в виде параллельного кода не соответствует заданному коду S* (датчик 2 положения находится не в реперной точке), возникающий сигнал S рассогласования на выходе измерителя 4 ошибки позиционирования вызывает появление сигналов S* и Vу на входе и выходе регулятора 6 положения и тока 1 электродвигателя 1 на выходе широтно-импульсного преобразователя (ШИП) 7. В результате этого электродвигатель 1 перемещает подвижную часть электропривода в положение, при котором выходной сигнал Sос датчика 2 положения будет соответствовать (равен) сигналу S* задания. При этом сигнал S рассогласования, а вследствие этого сигналы S*,Vу и ток 1 электродвигателя 1 становятся равными нулю, и подвижная часть электропривода остановится в положении, соответствующем реперной точке датчика 2 положения.

Однако поскольку регулятор 6 положения имеет релейную характеристику типа двухпозиционного реле, он может находиться в одном из двух устойчивых состояний даже при сигнале S*, равным нулю. При этом выходной сигнал Uу регулятора 6 положения равен максимальному положительному или отрицательному значению, вызывая появление не выходе широтно-импульсного преобразователя 7 положительного или отрицательного значения постоянного по амплитуде напряжения электродвигателя 1, которое вызывает нарастание тока 1 электродвигателя 1 с постоянной времени его обмотки статора, которая называется электромагнитной постоянной времени. Например, при положительном значении S* сигнал Uу и ток 1 также положительны, а при отрицательном значении S* отрицательны. Предположим, что в начальный момент времени при условии S=S*=I=0, т. е. когда код Sос на выходе датчика 2 положения равен коду S* на выходе задатчика 3 положения, регулятор 6 положения находится в состоянии, при котором сигнал Uу положителен. При этом нарастающий положительный ток 1 электродвигателя 1 вызывает перемещение подвижной части электропривода, а значит изменение выходного кода Sос датчика 2 положения таким образом, что значение кода Soc становится больше кода S* задания положения. В этом случае сигнал S ошибки позиционирования становится отрицательным. Если инерционно-дифференцирующее звено 9 отсутствует, то I=0 и поскольку в этом случае S*=S, то сигналы S* и следовательно Uу также становятся отрицательными. Это приводит к тому, что положительное значение тока 1 электродвигателя 1 сначала уменьшается с электромагнитной постоянной времени до нуля, а затем с той же постоянной времени начинает нарастать его отрицательное значение. В результате этого подвижная часть электропривода сначала останавливается, а затем начинает перемещаться в обратную сторону (в сторону уменьшения значения кода Sос). В определенный момент времени значение кода Sос на выходе датчика 2 положения становится меньше значения кода S* задания положения. В этом случае сигнал S ошибки позиционирования становится положительным и следовательно при I = 0 (звено 9 отсутствует) сигналы S* и Vу также становятся положительными. Это приводит к тому, что отрицательное значение тока 1 электродвигателя 1 сначала уменьшается по абсолютному значению с электромагнитной постоянной времени до нуля, а затем с той же постоянной времени начинает нарастать его положительное значение. В результате этого подвижная часть электропривода сначала останавливается, а затем начинает перемещаться в сторону увеличения значения кода Sос, которое в определенный момент времени становится больше значения кода S* задания положения. Дальнейшее поведение системы будет таким, как описано выше.

В результате электропривод переходит в режим устойчивых автоколебаний, частота которых определяется его электромеханической постоянной времени. Введение инерционно-дифференцирующего звена 9 существенным образом изменяет режим работы электропривода.

Действительно, пусть в начальный момент времени S* Sос, S=S*=I=0, а регулятор 6 положения находится в состоянии, при котором сигнал Uу положителен. В результате ток 1 электродвигателя 1 начинает нарастать с электромагнитной постоянной времени, которая более чем на порядок меньше электромеханической постоянной времени электропривода. В результате изменения величины тока 1 на входе звена 9 на его выходе появляется сигнал I, причем I>0 при нарастании положительного значения тока и I<0 при нарастании отрицательного значения тока 1.

Поскольку в узле 5 сравнения происходит алгебраическое суммирование сигналов S и I таким образом, что S*=S-I, то при S=0 сигнал S*=I при I>0 и S*=I при I<0..S* и следовательно Uy становятся отрицательными. В результате нарастающее положительное значение тока 1 начинает уменьшаться до нуля, а затем начинает нарастать отрицательное значение тока 1. При этом сигнал I становится отрицательным, а сигнал S* положительным. В результате становится положительным сигнал Uу, и отрицательное значение тока 1 сначала начинает уменьшаться до нуля (по абсолютному значению), а затем начинает нарастать положительное значение тока 1 и т.д.

Таким образом, во внутреннем контуре регулятора 6 положения, замкнутом по току 1 электродвигателя 1, через инерционно-дифференцирующее звено 9 возникают устойчивые автоколебания тока 1, частота которых определяется электромагнитной постоянной времени электродвигателя 1 и зоной нечувствительности операционных усилителей серий 140, 153, 154, используемых в режиме компараторов для построения регулятора 6 положения с релейной характеристикой. При зоне нечувствительности операционных усилителей, равной единицам мкА, и электромагнитной постоянной времени электродвигателей постоянного тока, составляющей единицы миллисекунд, частота возникающих автоколебаний тока составляет 3 6 кГц (экспериментальные данные). При такой частоте автоколебаний тока электродвигателя 1 электропривод, имеющий электромеханическую постоянную времени от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд, является по отношению к ним фильтром низких частот. Если при этом учесть, что ток электродвигателя в этом режиме представляет собой двухполярные импульсы экспоненциальной формы со скважностью, равной двум, и следовательно постоянная составляющая тока равна нулю, а, кроме того, амплитуда тока составляет несколько процентов от его номинального значения, то электропривод не реагирует на указанные автоколебания тока и его подвижная часть остается неподвижной в точке позиционирования. Это и есть скользящий режим работы регулятора, имеющего релейную характеристику.

Теперь требуется переместить подвижную часть электропривода в заданную точку позиционирования. Для этого ПЭВМ формирует на своем выходе программным способом сигнал S* текущего значения положения подвижной части электропривода в виде последовательной смены, например параллельных кодов, при этом каждое последующее значение кода отличается от предыдущего на одну дискрету цифрового датчика положения, а частота смены кодов задает скорость перемещения подвижной части электропривода. В момент соответствия значения кода S* конечной точке позиционирования подвижной части электропривода ПЭВМ прекращает смену значений кодов и формирует на выходе постоянный по значению сигнал S* в виде значения кода, соответствующего конечной точке позиционирования.

В момент времени, когда текущее значение кода S* изменится на одну дискрету по отношению к значению кода Sос на выходе датчика 2 положения, на выходе измерителя 4 ошибки позиционирования появится сигнал S определенного знака в зависимости от соотношения значений кодов S* и Sос, который в конечном счете вызовет широтно-импульсное модулирование выходного напряжения преобразователя 7, питающего электродвигатель 1 таким образом, что появляется постоянная составляющая тока 1 электродвигателя, которая вызывает перемещение подвижной части и датчика 2 положения в направлении, вызывающем компенсацию сигнала S текущей ошибки позиционирования. При дальнейшем изменении текущего значения кода S* перемещение подвижной части электропривода и датчика 2 положения происходит, аналогично описанному выше. Таким образом, при изменении текущего значения кода S* cистема управления обеспечивает работу электропривода в режиме следящего позиционирования. При изменении нагрузки электропривода изменяется значение кода Sос датчика 2 положения. При этом, как указывалось выше, появляющийся сигнал S ошибки позиционирования вызывает широтную модуляцию выходного напряжения преобразователя 7, в результате чего появляется постоянная составляющая тока электродвигателя, адекватная изменению нагрузки, приводит к перемещению подвижной части электропривода и датчика 2 положения в направлении, обратном действию нагрузки, компенсируя тем самым ошибку позиционирования S. Поскольку постоянная составляющая тока электродвигателя от тока нагрузки не передается через инерционно-дифференцирующее звено 9 к узлу сравнения 5, тем самым не оказывая влияния на соотношение сигналов S и S* можно сделать вывод, что введение инерционно-дифференцирующего звена 9, обеспечивая скользящий режим работы регулятора 6 положения с релейной характеристикой, не влияет на точность позиционирования подвижной части электропривода, которая определяется только коэффициентом усиления регулятора 6 положения с разомкнутой связью между выходом датчика 2 положения и вторым входом измерителя 4 ошибки позиционирования.

Таким образом, предлагаемая система управления позволяет повысить точность позиционирования подвижной части электропривода за счет независимости ее от нагрузки электропривода и тем самым позволяет расширить его функциональные возможности и область применения. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Система управления прецизионным позиционным следящим электроприводом постоянного тока, содержащая электродвигатель постоянного тока, датчик положения, механически соединенный с подвижной частью электродвигателя, задатчик положения, измеритель ошибки позиционирования, одним входом подсоединенный к выходу задатчика положения, вторым входом к выходу датчика положения, узел сравнения, первым входом подсоединенный к выходу измерителя ошибки позиционирования, регулятор положения, входом подсоединенный к выходу узла сравнения, широтно-импульсный преобразователь, входом подсоединенный к выходу регулятора положения, а выходом к электродвигателю постоянного тока, датчик тока электродвигателя, отличающаяся тем, что введено инерционно-дифференцирующее звено, входом соединенное с выходом датчика тока электродвигателя, а выходом с вторым входом узла сравнения с передаточной функцией



где Кид коэффициент звена;

Тид постоянная времени звена;

Р преобразователь Лапласа.