По выходным координатам

Электродвигателей с помощью обратных связей

Формирование механических характеристик

Формирование механических характеристик электродвигателей с помощью систем обратной связи по току, напряжению и частоте вра­щения рассмотрим на примере электропривода постоянного тока.

Введение положительной обратной связи по току якоря. Функ­циональная схема системы представлена на рис. 25.4.

На рисунке приняты следующие обозначения:

- задающий сигнал, - сигнал обратной связи, - сигнал на входе операционного усилителя (ОУ), - сигнал управления на выходе ОУ, - напряжение на выходе преобразователя (П).

Запишем основные уравнения

(25.11)

где - коэффициент согласования напряжений (задающего и обрат­ной связи), - омическое сопротивления шунта (датчика тока), - ток якоря электродвигателя.

(25.12)

где - коэффициент передачи преобразователя, - омическое со­противление преобразователя, - коэффициент усиления ОУ. Счита­ем, что ОУ не насыщается.

Уравнение равновесия напряжений обмотки якоря электродви­гателя

(25.13)

где - омическое сопротивление обмотки якоря, - потокосцепление обмотки якоря с потоком возбуждения, - угловая частота враще­ния якоря.

Приравнивая (25.13) и (25.12) при подстановке (25.11), получаем

откуда

(25.14)

Обозначим:

(25.15)

(26.16)

где - частота вращения идеального холостого хода,

- суммарный коэффициент передачи, имеющий размерность в омах.

Учитывая зависимость окончательно получаем

(25.17)

На рис. 25.5 представлены следующие зависимости :

1 - естественная механическая ха­рактеристика электродвигателя,

2 - зависимость при наличии об­ратной связи ,

3 - зависимость при наличии об­ратной связи и ,

4 - зависимость при наличии об­ратной связи и .

Очевидно, что при равенстве и можно получить идеально жесткую механическую характеристику электропривода, однако, даже при незначительном увеличении значения в силу каких-либо возмуще­ний система теряет устойчивость.

Введение отрицательной обратной связи по току якоря. Функ­циональная схема системы аналогична представленной на рис. 25.4 с той разницей, что напряжения и вычитаются и в цепь обратной связи введен нелинейный элемент УТО (узел токовой отсечки) с пере­даточной функцией , равной:

Механические характеристики электропривода с отрицательной обратной связью по току якоря и с УТО, описываются зависимостью аналогичной (25.17), но с введением - передаточной функции УТО.

(25.18)

Механические характеристики представлены на рис. 25.7, а.

Механические характеристики электропривода с токовой отсеч­кой имеют два участка. На первом участке до момента равенства цепь обратной связи оказывается разомкнутой (= 0) и меха­нические характеристики параллельны естественной характеристике, имеющей место при . В момент равенства напряжения обратной связи и опорного = 1 и на вход ОУ подается значительное отрица­тельное напряжение, вследствие чего управляющий сигнал на выходе ОУ резко падает, падает напряжение и частота вращения электро­двигателя. Недостаток этого метода в том, что при больших частотах вращения двигатель оказывается перегруженным. На практике как правило применяют функциональное токоограничение, то есть ток отсечки устанавливают в функции частоты вращения, рис. 25.7, б. Осо­бенно это важно для электродвигателей с постоянными магнитами. Ряд схем упреждающего токоограничения представлен в [88].

Отрицательная обратная связь по току позволяет стабилизиро­вать момент вращения, отстраиваться от возмущений, связанных с из­менением напряжения сети. Однако, частота вращения, при возмуще­ниях момента на валу, токовым контуром постоянной не поддержива­ется. На практике эта обратная связь, как правило, используется совместно с обратной связью по скорости.

Введение отрицательной обратной связи по напряжению на яко­ре. Функциональная схема системы представлена на рис. 25.8.

Датчиками напряжения служат делители на базе омических со­противлений (потенциометров), с которых снимается напряжение об­ратной связи . Сведения о резистивных датчиках представ­лены нами в п. 16.8.

Запишем основные уравнения

где - коэффициент согласования напряжений (задающего и обрат­ной связи), , - полное сопротивление двигателя. Напряжение на выходе преобразователя

или

откуда

(25.20)

Приравнивая уравнение равновесия напряжений обмотки якоря электродвигателя (25.13) и (25.20) получаем

(25.21)

Обозначим:

Тогда, учитывая зависимость , окончательно получаем

(25.22)

Очевидно, что с увеличением , жесткость механических харак­теристик возрастает. Несмотря на недостатки приводов с обратной связью по напряжению (недостаточная жесткость механических ха­рактеристик), они широко используются в промышленности благода­ря своей простоте и надежности, в тех случаях, когда нет высоких тре­бований к точности поддержания частоты вращения [114]. На практи­ке обратная связь по напряжению часто применяется совместно с положительной обратной связью по току. Регулятор напряжения, под­чиненный регулятору тока, рекомендуется применять в системе авто­регулирования с вентильным преобразователем при наличии режима прерывистых токов [97].

Введение отрицательной обратной связи по частоте вращения якоря. Функциональная схема системы представлена на рис. 25.9.

Датчиками частоты вращения являются тахогенераторы, с кото­рых снимается напряжение обратной связи

Для согласования напряжения тахогенератора с напряжением на входе ОУ широко применяются резистивные делители напряжения. Ряд схем делителей напряжения и формул для расчета передаточных коэф­фициентов представлены в [27]. Простейший делитель напряжения имеет вид, показанный на рис. 25.10.

На рис. 25.10, а показана схема с фильтром высоких частот. Реко­мендуется постоянную времени фильтра иметь приблизительно равной [97]. Рекомендации по выбору приведены в п. 25.4. На рис. 25.10, б показана схема гибкой обратной связи по частоте вращения.

Коэффициент передачи делителя .

Запишем основные уравнения системы (без учета влияния фильтра)

(25.23)

(25.24)

Уравнение равновесия напряжений обмотки якоря электродви­гателя аналогично (25.13). Приравнивая (25.24) и (25.13) получаем

(25.25)

Откуда

Обозначим:

Тогда, учитывая зависимость , окончательно получаем

(25.26)

Механические характеристики электропривода при различных значениях суммарного коэффициента усиления системы представле­ны на рис. 25.11.

Кривая 1 - естественная механи­ческая характеристика, ; 2 - при ; 3 – при .

Очевидно преимущество боль­ших значений . Однако известно, что при стремящемся к бесконечности система становится неустойчивой. По­этому при больших коэффициентах усиления ОУ регуляторы скорости вы­полняют обычно ПИ-типа.

Комбинируя различные способы создания обратных связей мож­но получить различные системы управления электроприводами. Обыч­но применяют одновременно отрицательные обратные связи по ско­рости и току якоря, достигая тем самым регулирования при постоян­ной мощности. Наиболее распространены 2-х и 3-х контурные системы, причем в позиционных электроприводах обязательно присутствует контур положения.

Типовые схемы управления электроприводов можно подразде­лить на два типа:

- схемы с общим суммирующим усилителем;

- схемы подчиненного регулирования.

Достоинство схем первого типа в простоте системы - на вход усилителя подается алгебраическая сумма сигналов обратных связей. Недостаток - невозможность регулирования координат независимо друг от друга.

В схемах подчиненного регулирования число усилителей равно числу координат. При этом выходной сигнал внешнего контура явля­ется задающим сигналом для внутреннего контура, то есть каждый внутренний контур подчинен внешнему контуру Операционные уси­лители называют регуляторами, соответственно: положения, скорос­ти, тока. Контуры тока и скорости в большинстве электроприводов выполняют с непрерывной системой управления, которую принято называть аналоговой. Внешний контур управления - контур положе­ния в электроприводах роботов и станков с ЧПУ принято выполнять цифрового типа.