Следящий электропривод (привод подачи)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Исходные данные для проектирования системы регулирования положения (СРП)

1. Комплектный тиристорный преобразователь (КТП) якоря

1.1 Силовой трансформатор

1.2 Силовые вентильные блоки ТП

1.3 Уравнительные реакторы ТП

1.4 Сглаживающий реактор

1.5 Сопротивление якорной цепи электропривода

1.6 Краткое описание КТП якоря

2. Статические характеристики ТП

2.1 Регулировочная характеристика ТП

2.2 Регулировочная характеристика СИФУ

2.3 Проходная характеристика ТП

2.4 Зависимость коэффициента передачи ТП от угла управления

3. Статические электромеханические характеристики электропривода

3.1 Электромеханические характеристики привода при питании от сети бесконечной мощности

3.2 Электромеханические характеристики при питании от КТП

4. Функциональная и структурная схемы СУЭП регулирования положения

4.1 Функциональная схема системы регулирования положения

4.2 Структурная схема системы регулирования положения

5. Элементы и блоки СУЭП регулирования положения

5.1 Датчик скорости

5.2 Датчик тока

5.3 Датчик положения

5.4 Синтез регулятора тока на основе модульного оптимума

5.5 Синтез регулятора скорости на основе модульного оптимума

5.6 Синтез регулятора положения на основе модульного оптимума

6. Определение показателей качества СУЭП

6.1 Структурное моделирование СУЭП регулирования положения в среде MatLab

6.1.1 Определение параметров модели

6.1.2 Структурная модель привода в MatLab Simulink

6.1.3 Электромеханические переходные процессы в электроприводе при максимальном задании

6.2 Оптимизация показателей качества регулирования синтезированной СУЭП в среде MatLab

6.2.1 Настройка контура регулирования тока

6.2.2 Настройка контура регулирования скорости

6.2.3 Настройка контура регулирования положения

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение

В машиностроении обработка большинства деталей осуществляется резанием, которое происходит путем последовательного удаления режущим инструментом (резцом) тонких слоев металла с поверхности заготовки. Процесс резания в токарных станках осуществляется главным вращательным движением обрабатываемой заготовки и прямолинейным движением резца вдоль заготовки. Вращение обрабатываемой детали осуществляет главный привод, который регулируется при постоянной мощности (P=const). Он должен обеспечивать необходимую частоту вращения заготовки. Перемещение режущего инструмента в зоне резания осуществляется приводом подачи, который должен регулироваться при постоянном моменте (М=const). Подачей называется величина перемещения режущей кромки инструмента за один оборот заготовки или в единицу времени. Различают также вспомогательные движения, которые обеспечивают транспортирование заготовки, закрепление ее на станке и смену режущих инструментов. Эти движения обеспечивают вспомогательные приводы.

В данной курсовой работе рассмотрен следящий электропривод (привод подачи).

тиристорный преобразователь электропривод сеть



Рис. 1 - Упрощенная кинематическая схема привода подачи токарного станка

Следящий привод представляет собой замкнутую автоматическую систему, при помощи которой исполнительный орган с определённой точностью отрабатывает движение рабочего механизма в соответствии с произвольно меняющимся сигналом, задаваемым управляющим органом.

Как уже говорилось привод подачи должен регулироваться при постоянном моменте. В механизмах подач основное усилие затрачивается на преодоление сил трения при перемещении узла станка. Приводы подач должны обеспечивать диапазон регулирования D10000, так как в станках с ЧПУ минимальная подача определяется дискретностью управления и обратной связи. Только при обработке приводом каждой дискреты могут быть обеспечены высокая точность и малая шероховатость при обработке. Кроме того приводы подач должны иметь высокие скорости быстрого хода и высокое быстродействие при разгоне-торможении и при сбросе-набросе нагрузки. Необходимость удовлетворения требованиям снижения шероховатости и повышения точности при обработке и позиционировании также ужесточила требования к статическим и динамическим ошибкам регулирования скорости электроприводов при различных возмущающих воздействиях. При регулировании положения статические ошибки должны быть очень малы, а динамические вообще не допускаются. Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке на привод подачи увеличил колебания нагрузки на электроприводе при резании, что ужесточило требования к статической и динамической жесткости механических характеристик привода подачи.

Электроприводы подач различаются по следующим признакам:

- по способу выполнения силового преобразователя (виду силовых полупроводниковых приборов) - тиристорные на основе реверсивных управляемых выпрямителей, транзисторные на основе реверсивных широтно-импульсных преобразователей;

- по компоновке консрукции (числу приводов, выполненных в едином конструктиве) - однокоординатные, многокоординатные.

В состав электропривода входят:

- электродвигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов со встроенным датчиком скорости, электромагнитным тормозом, датчиком температурной защиты и датчиком пути;

- полупроводниковый преобразователь, включающий силовой блок (обеспечивает преобразование напряжение переменного тока в постоянное), регуляторы (обеспечивают регулирование скорости двигателя в широком диапазоне с высокой точностью), блоки питания, защиты и диагностики.

- силовой трансформатор для согласования напряжения питающей сети с напряжением электродвигателя, ограничения тока короткого замыкания в приводе и снижения влияния помех;

- уравнительные и сглаживающие реакторы для ограничения уравнительных токов при совместном управлении выпрямительной и инверторной группами тиристоров и для сглаживания пульсаций токов якоря двигателя (в результате чего обеспечивается снижение нагрева и улучшения коммутации двигателя);

- автоматический выключатель для отключения привода от сети в аварийных режимах.

Состав электропривода может меняться в зависимости от конкретного типа электропривода и способа выполнения силового преобразователя. Питание электропривода производится от трехфазной промышленной сети переменного тока напряжением 220, 380, 660, 1140 В частотой 50 Гц.

Электроприводы снабжаются аппаратурой защиты, сигнализации, индикации рабочих и аварийных режимов и имеют следующие виды защит: от коротких замыканий, токовых перегрузок, перенапряжения, исчезновения вентиляции ( в системах с принудительным охлаждением), а также напряжения сети, неправильного чередования фаз.

Область применения следящего привода продолжает расширяться. В настоящие время он используется для автоматического контроля за изменением различных физических величин, для регулирования скорости паровых и гидравлических турбин, в устройствах прокатных станов, в системах управления металлорежущими станками, шагающими экскаваторами, манипуляторами.

Исходные данные для проектирования системы регулирования положения (СРП)

Вариант 23

Число каналов управления 1

Тип двигателя 2ПН-112М ( кВт, В)

Приведенный момент инерции механизма

Диапазон регулирования скорости

Кратность тока стопорения

Статическая ошибка СРП

Статическая ошибка СРС при и

Допустимое ускорение рад/с²

Технические характеристики двигателя постоянного тока типа 2ПН-112М:

Мощность кВт

Напряжение якоря В

Напряжение возбуждения В

Сила тока якоря А

Номинальная частота мин^-1

Максимальная частота мин^-1

КПД

Максимальная мощность возбуждения Вт

Сопротивления якоря при 15 С Ом

Сопротивление дополнительных полюсов при 15 С Ом

Момент инерции якоря кгм²

1. Комплектный тиристорный преобразователь (КТП) якоря

1.1 Силовой трансформатор

Выбор трансформатора производится из условия обеспечения номинального напряжения на якоре двигателя при допустимых колебаниях напряжения сети (от -10 до +15) и номинальном токе якоря.

Определим необходимые фазное и линейное напряжения вторичной (вентильной) обмотки трансформатора

,

где - коэффициент, учитывающий падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора, сглаживающего реактора, уравнительного реактора, вентилей, проводов, коммутации тиристоров ( предварительно );

- коэффициент, учитывающий допустимые колебания напряжения сети (для промышленных электрических сетей );

- коэффициент схемы выпрямления (табл. 1, выбираем трехфазную мостовую схему выпрямления).

В.

В.

Коэффициент трансформации

.

Значение тока фазы в цепи питания преобразователя (вторичной обмотки) при токе нагрузки - номинальном токе двигателя ()

,

где - коэффициент схемы выпрямления по току вторичной обмотки (табл. 1).

А.

Значение тока первичной обмотки

,

где - коэффициент схемы выпрямления по току первичной обмотки (табл. 1).

А.

Теоретическое значение типовой мощности трансформатора

,

где - коэффициент схемы выпрямления по мощности (табл. 1).

ВА.

Расчетная типовая мощность трансформатора

,

где ; .

ВА.

Таблица1 - Значения расчетных коэффициентов ТП

Схема соединений вентильных блоков ТП
Однофазная двухполупериодная	-	-	1,11	0,786	1,77	3,72	0,5
Трехфазная с нулевым выводом	1,17	0,68	0,47	0,576	1,45	2,25	0,33
Трехфазная мостовая	2,34	1,35	0,815	0,815	1,065	1,065	0,33

На основании рассчитанных данных типовой мощности, линейных напряжений и токов выбираем трансформатор типа ТТ-6.

Таблица 2 - справочные данные согласующего трансформатора ТТ-6

Тип	Мощность , кВт	Первичная обмотка	Вторичная обмотка		Потери в меди , Вт
		, В	Число витков	, В	Число витков
ТТ-6	6	380/220	177	208±7	84	4	240

Для выбранного трансформатора и данной схемы соединения вентилей найдем значение ЭДС условного холостого хода тиристорного преобразователя

В.

Рис.2 - Схема замещения силовой цепи тиристорного привода

Определим активное и индуктивное сопротивления трансформатора, приведенные к цепи выпрямленного тока

,

где потери мощности короткого замыкания трансформатора;

число параллельных проводов, ;

число фаз, .

Ом

,

где - напряжение короткого замыкания силового трансформатора

Ом

Ом

Гн

1.2 Силовые вентильные блоки ТП

Среднее значение тока вентиля

,

где - коэффициент схемы по среднему току вентиля (табл. 1).

А.

Номинальный ток вентиля

,

где - коэффициент запаса, выбираемый исходя из надежности работы вентиля с учетом пусковых токов.

А.

Величина тока, проходящего через вентиль при коротком замыкании на стороне постоянного тока

(100/)= А.

Полагая, что кратковременный допустимый ток, протекающий через вентиль, не должен превышать 15-кратного значения номинального тока, найдем номинальный ток вентиля

А.

Вентиль выберем по наибольшему из двух значений.

Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемая к вентилю

,

где - коэффициент схемы по максимальному напряжению вентиля;

.

В.

На основе рассчитанных данных выберем комплектные силовые вентильные блоки.

Выбираем тиристоры типа ТД 14.

Таблица 3 - Справочные данные тиристоров типа ТД 14

Un, B	Iv, A	Uobmax,B
220	10	400

1.3 Уравнительные реакторы ТП

Для обеспечения управляемого режима работы тиристорного преобразователя электропривода при колебаниях сетевого напряжения, когда противо ЭДС двигателя E > Ud принимают двухкомплектные ТП с согласованным управлением:

бв + би = 180°.

где бв, би - углы управления выпрямительного и инверторного комплектов ТП.

При согласованном совместном управлении комплектами тиристоров возникает так называемый уравнительный ток, который замыкается внутри выпрямительной и инверторной группы вентилей, минуя цепь нагрузки. Для ограничения статических и динамических уравнительных токов в контур между группами вентилей включаются уравнительные реакторы.

Выбираем два уравнительных реактора типа РТСТ

Таблица4 - Справочные данные уравнительных реакторов

Тип	U,B	I,A	L,мГн
РТСТ	220	10	5.4

Падение напряжения на уравнительном реакторе

В

Активное сопротивление уравнительного реактора

Ом

1.4 Сглаживающий реактор

Полная индуктивность якорной цепи, необходимая для обеспечения режима гранично-непрерывного тока на скорости

,

где А - граничный ток, меньше которого возникает его прерывание;

предельный угол регулирования.

По значению находится величина индуктивности сглаживающего реактора

Определим предельный угол регулирования

,

где - минимальная выпрямленная ЭДС преобразователя при условном холостом ходе

,

где постоянная двигателя

Вс

- скорость вращения электродвигателя, соответствующая нижнему пределу ее регулирования с замкнутой САР.

внутреннее сопротивление тиристорного преобразователя

Ом

Ом - сопротивление проводов

Ом

- сопротивление, вносимое за счет перекрытия анодных токов,

где для трехфазной мостовой схемы.

Тогда

В

град.

Гн

Для того, чтобы найти индуктивность сглаживающего реактора, осталось найти индуктивность якоря

, где

для компенсированных двигателей

- число пар полюсов, .

Гн.

Тогда

Гн

Выбираем сглаживающий реактор типа РТСТ

Таблица5 - Справочные данные сглаживающего реактора

Тип	U,B	I,A	L,мГн
РТСТ	220	10	4,2

Падение напряжения на сглаживающем реакторе

В

Активное сопротивление сглаживающего реактора

Ом

1.5 Сопротивление якорной цепи электропривода

Расчетное активное сопротивление цепи якоря

Ом.

Расчетная индуктивность якорной цепи

Гн

Электромагнитная постоянная времени привода

с

Электромеханическая постоянная времени привода

с

1.6 Краткое описание КТП якоря

Применение тиристорных преобразователей в электроприводах постоянного тока позволяет достигнуть повышенной управляемости и быстродействия привода.

В качестве КТП примем серию КПТ: ЭТ6

Техническая характеристика:

Питающая трёхфазная сеть

напряжение 380 В

частота 50 Гц

Выпрямленное напряжение 220 В

Выпрямленный ток 5.3 А

КТП предназначен для использования в следящем приводе.

Силовая часть тиристорного преобразователя КПТ включает в себя следующие основные узлы:

-силовой трансформатор, предназначенный для преобразования питающего напряжения в напряжение требуемой величины;

-тиристорный выпрямитель реверсивный шестифазный, имеющий два комплекта тиристоров, включённых встречно-параллельно;

-систему защиты преобразователя от аварийных токов;

-систему защиты тиристоров от перенапряжения;

Управляющие устройства выполнены в виде функциональных блоков выдвижной конструкции, составленных из модулей. В каждом блоке имеется узел контроля неисправности блока. Управляющие устройства включают в себя блоки фазосмещения, усилители импульсов включения тиристоров, управление тиристорным преобразователем, задатчика интенсивности, потенциально развязанных усилителей, обратные связи и т. д.



Рис 3 - Силовая схема тиристорного преобразователя ЭТ6

2. Статические характеристики ТП

2.1 Регулировочная характеристика ТП

Регулировочная характеристика тиристорных преобразователей, построенных по мостовой схеме Ларионова и нулевой шестиимпульсной схеме при условном холостом ходе описывается уравнением:

Зависимость напряжения на якоре электродвигателя в функции угла регулирования преобразователя при неизменном (номинальном) моменте на валу может быть определена с помощью уравнения:

Напряжение условного холостого хода ТП при номинальной нагрузке

В

Динамический запас по напряжению , необходимый для получения жесткой электромеханической характеристики за счет введения отрицательной обратной связи по скорости, должен быть равен от 40 до 50 В (в обратном случае необходимо увеличить напряжение вторичной обмотки трансформатора и повторить расчет параметров ТП)

В

Определим номинальный угол регулирования ТП

град.

Произведем построение регулировачных характеристис с помощью программы MathCad

Рис. 4 - Регулировочные характеристики ТП

2.2 Регулировочная характеристика СИФУ

Номинальный сигнал управления на входе СИФУ

град.

В.

График регулировочной характеристики СИФУ построим по уравнению

Рис.5 - График регулировочной характеристики СИФУ

2.3 Проходная характеристика ТП

Проходная характеристика ( вход-выход) преобразователя может быть получена при известной регулировочной характеристике СИФУ и по регулировочной характеристике .



Рис. 6 - Проходная характеристика ТП

2.4 Зависимость коэффициента передачи ТП от угла управления

Рис. 7 - График зависимости коэффициента передачи ТП от угла управления

В связи с нелинейной зависимостью коэффициента передачи от угла управления необходимо линеаризовать проходную характеристику ТП, для которой коэффициент передачи постоянен и определяется по номинальным параметрам.

С учетом того, что при моделировании сопротивление ТП приводится к якорной цепи

Применение в СИФУ опорного напряжения синусоидальной формы дает возможность получить регулировочную характеристику ТП линейной во всем диапазоне регулирования.

3. Статические электромеханические характеристики электропривода

3.1 Электромеханические характеристики привода при питании от сети бесконечной мощности

Уравнение естественной механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид

Уравнение естественной электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид

Номинальное напряжение, подводимое к якорной цепи двигателя В

Постоянная двигателя Вс

Сопротивление якорной цепи

Ом

Номинальный ток двигателя А

Номинальный момент двигателя

Нм

Скорость идеального холостого хода

с

Статическое падение скорости

с

Номинальная скорость

Минимальная скорость при питании от сети бесконечной мощности и допустимой перегрузке

с

с

Минимальное напряжение

В



Рис. 8 - Электромеханические характеристики двигателя

Жесткость механических характеристик в первой зоне регулирования

Статическая ошибка регулирования скорости

3.2 Электромеханические характеристики при питании от КТП

Электромеханические характеристики двигателя при питании от тиристорного преобразователя в разомкнутой системе

Построим характеристики при следующих углах управления

1) град.

2) град.

3)

Минимальной скорости соответствует предельный угол управления

,

где В

град.

Минимальная скорость при питании от ТП и двукратной допустимой перегрузке

с

Диапазон регулирования тиристорного привода с разомкнутой САР уменьшается



Рис. 9 - Электромеханические характеристики тиристорного привода с разомкнутой САР

Показатели качества регулирования скорости привода при питании от ТП при разомкнутой системе ухудшаются (статическая ошибка увеличевается, диапазон регулирования уменьшается).

Следует отметить, что тиристорный электропривод позволяет плавно регулировать скорость в большем диапазоне за счёт введения соответствующих регуляторов и обратных связей.

4. Функциональная и структурная схемы СУЭП регулирования положения

4.1 Функциональная схема системы регулирования положения

Системы регулирования положения рабочего органа механизма должны обеспечивать точное воспроизведение входного управляющего сигнала.

При этом на СУЭП положения действует два типа возмущения:

1) Возмущение по управлению.

2) Возмущение по нагрузке.

Первый тип возмущения для следящего электропривода (СЭП) является основным. На вход СЭП подается управляющий сигнал , который несет информацию о заданном перемещении (повороте вала двигателя на заданный угол ). Этот сигнал сравнивается с сигналом обратной связи , несущем информацию о реальном перемещении вала на угол .

Реальное положение вала двигателя фиксируется с помощью первичного преобразователя перемещения (датчика угла поворота).

Разность , пропорциональная , поступает на вход регулятора положения, который работает так, что рассогласование уменьшается. Непрерывное уменьшение рассогласования заданного и реального положения является характерной особенностью СЭП.

Функциональная схема включает:

Ш cиловой трансформатор TV;

Ш тиристорный преобразователь ТП;

Ш электродвигатель постоянного тока Д;

Ш регулятор тока РТ;

Ш регулятор скорости РС;

Ш регулятор положения РП;

Ш датчик тока ДТ;

Ш датчик скорости ДС;

Ш датчик положения ДП;

Ш узел зависимого токоограничения УЗТ;

Ш блок ограничения минимального угла управления БО;

Ш блок защит БЗ.

Рис.10 - Функциональная схема системы регулирования положения

4.2 Структурная схема системы регулирования положения

Структурная схема системы регулирования положения разрабатывается на основе функциональной схемы.

Рис. 11 - Структурная схема системы регулирования положения

5. Элементы и блоки СУЭП регулирования положения

5.1 Датчик скорости

Передаточная функция датчика скорости представляет собой передаточную функцию пропорционального звена. В качестве датчика скорости выбираем тахогенератор, тогда

,

где - статический коэффициент передачи датчика скорости.

Типовой датчик выбирается по условиям

,

где - максимальная частота вращения датчика скорости;

- коэффициент передачи (крутизна проходной характеристики) выбираемого датчика скорости;

- коэффициент обратной связи по скорости.

,

где - номинальный выходной сигнал регулятора положения.

Коэффициент усиления промежуточного усилителя или делителя в цепи обратной связи по скорости

При работе тахогенератора возникают низкочастотные оборотные пульсации, которые составляют 0,25-1 выходного напряжения и они могут вызвать неравномерность вращения вала привода. Высокочастотные зубцовые и коллекторные пульсации фильтруются конденсатором.

Коэффициент обратной связи по скорости

Выбираем тахогенератор типа АТ-161

Таблица 5 - Технические данные тахогенератора

Серия, тип	Напряжение возбуждения	Максимальная скорость вращения ,об/мин	Коэффициент преобразования В/c-1	Сопротивление обмотки возбуждения Ом	Момент инерции якоря	Частота, Гц
АТ-161	110	4000	0.1	340	0.017	400

Коэффициент промежуточного усилителя

Промежуточный усилитель не требуется.

5.2 Датчик тока

Ток привода можно измерять непосредственно в цепи якоря с гальванической развязкой силовых цепей и цепей управления или в цепи переменного тока перед ТП с помощью трансформаторов тока.

В качестве первичного преобразователя используем простой и надежный комплект трансформаторов тока

Рисунок12 - Принципиальная схема контроля тока якоря

Расчетный коэффициент трансформации трансформатора тока

,

где - измеряемый линейный ток, приведенный к цепи якоря;

- вторичный номинальный ток трансформатора тока.

Выбираем трансформаторы тока типа ТК-20 с коэффициентом

Ток вторичной обмотки трансформатора

А

Трансформаторы тока работают в заданном классе точности, если сопротивление нагрузки не превышает допустимого по паспорту значения .

Без значительного снижения точности контроля можно принять Ом.

Выпрямленное падение напряжения на этом сопротивлении при номинальном токе двигателя

В ,

где - падение напряжения на открытом вентиле выпрямителя UV1.

Напряжение на выходе выпрямителя UV1 при токе стопорения

В.

Коэффициент усиления операционного усилителя DA1 принимается с учетом коэффициента обратной связи по току в режиме стопорения.

Чтобы стопорение привода произошло, сигнал на выходе РТ в этот момент должен быть равен нулю. Это произойдет, если при номинальной скорости сигнал обратной связи по току на входе РТ будет равен сигналу с выхода РС.

Для обеспечения работы обратной связи по току при реверсе в схеме ограничения тока должен быть предусмотрен операционный усилитель И, инвертирующий сигнал с выхода DA1 по команде переключателя характеристик ПХ с помощью ключа SI.

Коэффициент обратной связи по току равен

5.3 Датчик положения

Структура следящего электропривода во многом определяется типом датчика положения. Точность СЭП не может быть более точности датчика положения с учётом его расположения.

Наиболее простым является расположение датчика положения на ходовом винте механизма подачи. В этом случае удобнее использовать более компактный первичный преобразователь угла поворота. Однако в этом случае часть кинематической цепи не охватывается обратной связью, что увеличивает суммарную статическую погрешность СЭП, которая в принципе может быть значительно снижена за счет высокой точности первичного преобразователя угла.

Наибольшие распространение получили импульсные фотоэлектронные датчики угла поворота, которые преобразуют угол поворота вала в число импульсов. Отечественные датчики серии ВЕ, ПДФ и др. формируют нормированные импульсы серий Б1 и Б2 амплитудой 24 В, скважность 210% которые сдвинуты относительно друг друга 9010 электрических градусов, что позволяет с помощью логической схемы распознавать направление вращения.

Рисунок13 - Функциональная схема датчика положения.

Датчик положения состоит из первичного преобразователя угла поворота ППУ, нормированные импульсы Б2 и Б2 с выхода которого поступают в логический блок распознавания вращения БРН. С выхода БРН импульсы прямого счёта Х1 поступают на прямой вход реверсивного счётчика импульсов РСИ, а импульсы обратного счёта Х2 поступают на реверсивный вход РСИ.

Содержимое разрядов РСИ поступает на входы цифро-аналогового преобразователя ЦАП, аналоговый сигнал на выходе которого пропорционален углу ц поворота вала двигателя Д и положению суппорта L.

Разрешающая способность ППУ определяется числом импульсов , выдаваемых датчиком за один оборот.

Необходимое число импульсов за один оборот ППУ выбирается из условия прихода хотя бы одного импульса за один период дискретизации при минимальной скорости вращения вала двигателя

,

где - период дискретизации, т. е. период времени между следующими друг за другом дискретными сигналами управления. В первом приближении период дискретизации можно принять равным малой постоянной времени привода, т. е. с.

Импульсный датчик угла выбирается из условия

Емкость счетчиков РСИ зависит от выбранного датчика угла и максимального угла .

Принимаем .

Коэффициент передачи обратной связи по положению (углу)

.

5.4 Синтез регулятора тока на основе модульного оптимума

В основе методов синтеза регуляторов используют идею получения максимально плоских амплитудо-частотных характеристик замкнутого контура регулирования. На практике используют регуляторы, настроенные на технический или модульный оптимум.

Расчет контура тока производится для случая неподвижного (заторможенного) якоря или при выключенном возбуждении двигателя.

Объект регулирования контура тока состоит из двух последовательно включённых апериодических звеньев с постоянными времени ф и Т_Я. При этом принимается допущение об отсутствии обратной связи по ЭДС двигателя.

Это допущение справедливо, если выполняется условие:

( Т_М + Т_Я )ф

Передаточная функция объекта управления

В контуре тока применим ПИ-регулятор.

Сигнал на выходе ПИ-регулятора пропорционален входному сигналу и интегралу от входного сигнала по времени, т. е.

или в операторной форме в виде передаточной функции

,

где - постоянная обратной связи РТ

- постоянная интегрирования РТ.

Следует отметить, что сигнал на выходе ПИ-регулятора перестает изменяться во времени и будет сохранять некоторое постоянное значение, только когда входной сигнал будет равен 0. Если на вход такого регулятора поступает разность задающего сигнала и сигнала обратной связи, то в установившемся статическом режиме эти сигналы равны, что соответствует принципу астатического регулирования - сигнал управления изменяется регулятором до тех пор , пока не будет достигнуто равенство задающего сигнала и сигнала обратной связи, т. е. пока не будет устранена ошибка регулирования.

Итак используем ПИ-регулятор с передаточной функцией

Тогда передаточная функция разомкнутого контура тока

В контуре тока имеются две инерционности, характеризуемые постоянными времени и , где - постоянная времени, отражающая инерционность системы фазового управления выпрямителем, запаздывание выпрямителя и инерционности датчика и регулятора. Эта постоянная времени называется некомпенсированной постоянной времени контура. Обычно с .

Для компенсации электромагнитной постоянной времени двигателя принимаем условие

(необходимую форсировку для этой компенсации будет создавать регулятор, воздействуя на преобразователь).

Тогда

,

Для замкнутого контура передаточная функция примет вид

,

- коэффициент обратной связи по току.

Замкнутый контур представляет собой систему второго порядка.

Для того, чтобы получить в этой системе оптимальный переходный процесс, нужно, чтобы коэффициент затухания был равен . Это условие будет выполнено, если коэффициент при в характеристическом уравнении системы будет равен

,

откуда

,

Передаточная функция регулятора тока примет вид

При таком регуляторе тока передаточная функция замкнутого контура примет вид

Если пренебречь, то

В результате проведенных операций получилась замена двух инерционных звеньев (одно с большей постоянной времени) колебательным звеном (с коэффициентом затухания 0,707), близким к инерционному звену с постоянной времени , т. е. существенно повысилось быстродействие контура. Переходный процесс в контуре тока при выбранной настройке регулятора будет оптимальным - , .

Полученную настройку контура тока сохраняют и при вращающемся якоре, когда проявляется влияние ЭДС. При и это влияние на переходный процесс в контуре тока при изменении задания тока оказывается несущественным.

Расчет параметров регулятора тока

Рис. 14 - Расчетная схема регулятора тока системы подчиненного регулирования положения

На этой схеме в цепь обратной связи операционного усилителя DA1 введен корректирующий элемент - конденсатор , который обеспечивает фильтрацию сигналов регуляторов тока и скорости. Передаточная функция РТ в этом случае принимает вид

,

где

При кОм и 1,5 кОм =0,3

Тогда

с.

С учетом условия для принятого стандартного значения емкости конденсатора мкФ определим значение

кОм

Для принятого значения мс определяем значение емкости фильтра

мкФ

В связи с тем, что применяются значения сопротивлений и емкостей стандартных номиналов необходимо предусматривать установку подстроичных резисторов.

При полной компенсации электромагнитной постоянной Тэ привода структурная схема контура тока преобразуется к виду.



Рис. 15 - Структурная схема контура тока без учета влияния обратной связи по ЭДС и Т_Ф

Постоянная интегрирования контура тока

Трт = (rяц*Ти)/(Ктп*Кдт)

5.5 Синтез регулятора скорости на основе модульного оптимума

Объектом регулирования в контуре скорости является оптимизированный контур тока и звено, учитывающее механическую инерционность привода.

Передаточная функция объекта управления в контуре скорости имеет вид

,

где

Желаемая передаточная функция разомкнутой системы составляется с учетом модульного оптимума

Передаточная функция регулятора скорости

представляет собой пропорциональное звено.

Передаточная функция разомкнутого контура скорости

,

где

Для замкнутого контура скорости передаточная функция

,

где - коэффициент обратной связи по скорости.

Найдя квадрат модуля частотной характеристики и определив его производную в точке находится условие получения максимально плоской частотной характеристики.

Это условие выглядит следующим образом

;

Отсюда условие оптимальной настройки П-регулятора

Передаточную функцию замкнутого контура скорости можно заменить передаточной функцией апериодического звена ()

.

П - регулятор применяется при малом диапазоне регулирования угловой скорости. Причем так как параметры регулятора выбираются из условия обеспечения заданного качества переходного процесса, то жесткость механических характеристик привода оказывается неконтролируемой и обычно невысокой. Отношение статического падения угловой скорости в системе с П-регулятором скорости к статическому падению угловой скорости при работе двигателя в разомкнутой системе равно

Из этого следует, что при статический перепад угловой скорости в системе подчиненного регулирования будет больше, чем в разомкнутой системе.

Значит, чем больше , тем больше , тем меньше статическое падение угловой скорости.

Действие системы подчиненного регулирования с П-регулятором скорости в установившемся режиме сводится к следующему. При увеличении момента нагрузки на валу снижается угловая скорость двигателя, увеличивается сигнал с выхода регулятора скорости РС, т. е. возрастает задание тока контуру тока, увеличивается ЭДС преобразователя, и увеличивается ток якоря соответственно .

При большом диапазоне регулирования и в случаях, когда система с П-регулятором не обеспечивает требуемого статизма механических характеристик, применяют ПИ-регулятор скорости, при котором система становится астатической по угловой скорости, т. е. не имеет статической ошибки регулирования. Она называется двукратно интегрирующей с обратной связью по скорости.

Передаточная функция ПИ-регулятора скорости

,

где - постоянная времени обратной связи РС;

- постоянная интегрирования РС.

Для компенсации электромеханической постоянной времени привода примем условия

.

определяется так же, как и для П-регулятора.

Хотя при настройке на так называемый симметричный оптимум постоянная времени принимается равной , однако при таком регуляторе при скачке входного сигнала перерегулирование по скорости составит 43, хотя время регулирования . Перерегулирование уменьшают до 6,2, что соответствует техническому оптимуму, установкой на входе регулятора инерционного звена (фильтра) с передаточной функцией , при этом время регулирования возрастает до .

Если на вход П или ПИ-регулятора подать задающий сигнал скачком, то углавая скорость установится за указанное время и с указанным перерегулированием, но при отсутствии каких-либо ограничений на значение тока якоря, ЭДС выпрямителя, на ускорение механизма и т. п. Практически ток якоря при этом превзойдет допустимое значение, поэтому должно быть предусмотрено ограничение тока. В системе подчиненного регулирования оно выполняется достаточно просто - для этого нужно ограничить максимальный уровень задания тока, т. е. сигнала на выходе регулятора скорости. Ограничение этого сигнала достигается установкой в цепь обратной связи усилителя стабилитронов. Однако ограничение тока двигателя при пусках и торможениях в системах подчиненного регулирования обычно достигается не ограничением выходного сигнала регулятора скорости (ограничение сохраняется как средство защиты), а применением задатчика интенсивности ЗИ. Ток якоря при этом устанавливается и спадает в конце пуска или торможения по оптимальному закону, а угловая скорость привода при постоянном моменте изменяется по линейному закону. Основным достоинством применения задатчика интенсивности является независимость значения ускорения привода от статического момента.

Расчет параметров регулятора скорости системы регулирования положения

Рис.16 - Расчётная схема регулятора скорости системы починенного регулирования положения

Коэффициент усиления контура скорости

Частота среза

Коэффициент пропорционального усиления РС по условию минимума колебаний в САР

Из условия равенства входных токов операционного усилителя DA2 в статическом режиме:

приняв кОм, определяется сопротивление в цепи датчика скорости

кОм

Определим значение сопротивления обратной связи операционного усилителя для определенного ранее

кОм

С учётом условия компенсации в РС электромеханической постоянной времени двигателя постоянная времени обратной связи определится:

определяется емкость конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя DA2

мкФ

5.6 Синтез регулятора положения на основе модульного оптимума

Структуру регулятора положения (РП) в системе подчиненного регулирования можно синтезировать на основе метода последовательной коррекции.

Передаточная функция объекта управления, к которому относятся оптимизированный контур регулирования скорости и редуктор с коэффициентом передачи

Желаемая передаточная функция разомкнутой системы регулирования положения с учетом технического или модульного оптимума имеет вид

,

которая должна обеспечивать оптимальные показатели регулирования:

коэффициент демпфирования ;

перерегулирование ;

время регулирования .

Передаточная функция регулятора положения определится с учетом формулы

представляет собой передаточную функцию пропорционального звена.

Коэффициент преобразования регулятора положения с замкнутой САР

,

где - коэффициент обратной связи по положению.

Расчет параметров регулятора положения

Рис. 17 - Расчётная схема регулятора положения.

Приняв сопротивления в цепи задатчика положения

сопротивление обратной связи операционного усилителя можно определить как:

6. Определение показателей качества СУЭП

6.1 Структурное моделирование СУЭП регулирования положения в среде MatLab

6.1.1 Определение параметров модели

1. Передаточная функция якорной цепи

, где

2. Передаточная функция механической части двигателя

, где

3. Передаточная функция тиристорного преобразователя

4. Коэффициент обратной связи по току

5. Передаточная функция регулятора тока

6. Коэффициент обратной связи по скорости

7. Передаточная функция регулятора скорости

Выбираем П-регулятор скорости (он обладает более высоким быстродействием по сравнению с ПИ-регулятором, ноу него ошибка регулирования больше, что приводит к уменьшению диапазона регулирования).

8. Выбираем редуктор с коэффициентом

9. Коэффициент обратной связи по положению

10. Передаточная функция регулятора положения

6.1.2 Структурная модель привода в MatLab Simulink

Рис. 18- Структурная модель привода

6.1.3 Электромеханические переходные процессы в электроприводе при максимальном задании

Рис. 20 - Графики переходных процессов неоптимизированной системы при максимальном задании (пуск с нагрузкой, масштаб скорости - 1:1, положения - 1:1; тока - 2:1)

Привод разгоняется за 0.005 с при пуске с нагрузкой, однако ток якоря при пуске превышает допустимое двукратное значение в 2 раза. Угол отрабатывается с большой ошибкой 4,3%.

6.2 Оптимизация показателей качества регулирования синтезированной СУЭП в среде MatLab

Процесс оптимизации показателей качества регулирования следящего пивода в среде MatLab представляет по сути процесс виртуальной наладки системы управления.

Наладку системы подчиненного регулирования производят поэтапно. В начале налаживают внутренний - токовый контур регулирования.

Затем после получения заданных номинальных выходных координат привода коррекцией параметров токового контура приступают к последовательной наладке контура скорости и контура регулирования положения. Наладку всех контуров регулирования производят для номинальных выходных координат привода.

При этом производят коррекцию передаточных коэффициентов регуляторов тока, скорости, положения и соответствующих передаточных коэффициентов каналов обратных связей.

При необходимости используют методы параллельной или последовательной коррекции на основе теории автоматического управления.

6.2.1 Настройка контура регулирования тока

Для настройки этого контура отключаем обратную связь по ЭДС (заторможенный якорь), на вход регулятора тока подаем номинальный сигнал.

Рис. 21 - контур регулирования тока



Рис. 22 - Переходный процесс контура тока

Контур тока в оптимизации не нуждается. Переходный процесс соответствует модульному оптимуму - , .

6.2.2 Настройка контура регулирования скорости

Для настройки контура регулирования скорости подключим регулятор скорости, на который подадим номинальный сигнал, заведем обратные связи по ЭДС и по скорости.

Для получения номинальной скорости при номинальном моменте уменьшим передаточную функцию обратной связи по скорости до 0.1. Для уменьшения тока якоря при пуске установим ограничитель тока, т. е. установим цепь обратной связи усилителя (регулятора скорости) стабилитроны, которые ограничат выходной сигнал регулятора до 55 В , что в свою очередь уменьшит пусковой ток, однако увеличит время разгона двигателя до 0.5 с при пуске с нагрузкой и до 0.28с при пуске без нагрузки.



Рис. 23 - Оптимизированный контур регулирования скорости

Рис 24 - Оптимизированный контур регулирования скорости (пуск с нагрузкой)

6.2.3 Настройка контура регулирования положения

Настройка контура регулирования положения является последним этапом.

При малых коэффициентах передачи регулятора положения перерегулирование отсутствует, но время регулирования увеличивается. При больших коэффициентах передачи регулятора положения время первого установления задания уменьшается в несколько раз, но возникает перерегулирование, которое недопустимо.

Для избежания перерегулирования системы примем передаточную функцию регулятора положения раной

6.2.4 Структурная схема оптимизированной СУЭП регулирования положения

Рис. 25 - Структурная схема оптимизированной системы регулирования положения (СРП)

6.2.5 Электромеханические переходные процессы оптимизированной СУЭП при пуске без нагрузки, набросе нагрузки и торможении.

Рис. 26 - Графики переходных процессов в оптимизированной системе регулирования положения при максимальном задании (масштаб скорости - 1:1, положения - 1:0.03; тока 2:1 )

Выводы

В процессе оптимизации получили следующие показатели качества регулирования, которые удовлетворяют заданным:

- время регулирования скорости при пуске с нагрузкой

с

- время регулирования скорости при пуске без нагрузки

с

- время регулирования положения

с

- перерегулирование

- колебательность

- статическая ошибка регулирования скорости

- статическая ошибка регулирования положения

- ускорение

рад/с²

Заключение

В первом разделе курсового проекта были проведены расчеты всех элементов системы регулирования. Расчеты проведены согласно заданию и техническим требованиям.

Во втором разделе построены статические характеристики выбранного комплектного тиристорного преобразователя.

В третьем разделе построены электромеханические и механические характеристики привода при питании от сети и при питании от тиристорного преобразователя. Полученные результаты удовлетворяют условия задания проектирования.

В четвертом разделе составлены функциональная и структурная схема системы управления электроприводом. За основу принята система регулирования электроприводом типа ЭТ - 6.

В пятом разделе рассчитаны все элементы и блоки СУЭП, описаны их работа в системе, выбраны из справочной литературы типы датчиков.

В шестом разделе определены динамические и статические характеристики СУЭП, оптимизированы показатели качества регулирования.

Список литературы

1. Чиликин Н.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М.: Энергоатомиздат. 1981 - 576 с.

2. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Системы управления электроприводами» ( для студентов электромеханических специальностей)/сост. А. И. Панкратов. - Краматорск: ДГМА.

3. Комплектные тиристорные преобразователи: К63 Справочник / Евзеров. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.

4. Чебовский О. Г. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник.

М.: Энергия, 1975. - 211 с.

5. Электротехнический справочник / Под. ред. Груднинского М.: Энергия - 1979. - Т2, - 815 с.

6. Справочник по преобразовательной технике / Чиженко. - М.: Энергия, 1980. - 250 с.

7. Коцегуб П. Х. Синтез вентильных приводов постоянного тока. - Донецк: ДПИ, 1983. - 180 с.

Размещено на Allbest.ru

...