СИНТЕЗ СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Следящая САР получает произвольные сигналы задания и повторяет их на выходе с минимально возможной ошибкой. Следящий электропривод – электромеханическая САР, обеспечивающая слежение по заданному перемеще­нию одной координаты. Задание на перемещение поступает от программных устройств, от ЭВМ, от датчиков слежения за перемещающимся объектом. Сле­дящие ЭП применяются в копировальных станках, станках с числовым про­граммным управлением, резательных механизмах, нажимных устройствах про­катных станов, механизмах сопровождения радиолокаторов и телескопов, в ме­ханизмах наведения оружия и т. д.

Рассмотрим простейшие следящие электроприводы, первоначально при­меняемые. На рис.14.1 приведена система на сельсинах, где . Чувствительность сельсинной САР составляет примерно один в/град.

Рис. 14.1. Сельсинный следящий ЭП.

На рис. 14.2 приведена потенциометрическая САР. Она обеспечивает меньшую точность. Но вследствие своей простоты и дешевизны она раньше имела применение в позиционных системах управления, например, в электро­приводах роботов.

Рис. 14.2. Потенциометрическая следящая система перемещения.

В данных примерах задание на перемещение поступает от элемента, ана­логичному датчику перемещения. Это обеспечивает высокую чувствительность аналогового узла сравнения. В современных следящих электроприводах задание на перемещение поступает в цифровом виде (унитарный или двоичный код), а датчиками перемещения являются вращающиеся трансформаторы, индуктосины, фотоэлектрические импульсные и другие датчики перемещения. Но сущность следящего электропри­вода прежняя – обеспечить в статике и в заданной полосе пропускания мини­мальную ошибку рассогласования по положению.

Следящий электропривод выполняется многоконтурным с использованием принципов подчиненного регулирования. Внутренними контурами являются, как правило, контуры тока и скорости, внешним – контур положения (рис.14.3). В последнем контуре i - передаточное отношение от двигателя к вы­ходному перемещению угла или координат. Внешний контур для обеспечения точности выполняется фазоимпульсным или, что чаще всего в последнее время, цифровым с реализацией на микроЭВМ.

Рис. 14.3. Структура следящего многоконтурного ЭП.

Контуры тока и скорости реализуются в самом силовом преобразователе с использованием, как правило, ПИ-регуляторов. ПИ-РС обеспечивает ис­ключение моментной составляющей ошибки по скорости. Для контура положе­ния, чтобы его оптимизировать, необходимо знать передаточную функцию замкнутого контура скорости. Для двигателя постоянного тока с контуром ско­рости, настроенным на СО, имеем

.

Тогда передаточная функция разомкнутого контура положения

.

Частотная характеристика замкнутого контура скорости приведена на рис.14.4. Резонансный пик составляет 4,5 дб ( на частоте ). Это приводит к некоторой трудности при аппроксимировании контура скоро­сти звеном первого порядка .

Рис. 14.4. ЛАЧХ замкнутого контура скорости, настроенного на СО.

Однако в ряде случаев это возможно. Например, к следящим электроприводам подач станков предъявляют требования:

- перерегулирование недопустимо;

- переходные процессы должны быть апериодические.

Эти требования приводят к тому, что, во-первых в регуляторе положе­ния не может быть использована интегральная составляющая, так как тогда система будет вида 2 – 1 – 2 и появляется перерегулирование.

Во-вторых единственно возможный П - регулятор положения должен быть настроен на апериодические переходные процессы. Поэтому резонансная частота контура скорости будет находится правее частоты среза контура положения не менее, чем на две октавы. В этом случае допустимо с погрешностью, не пре­вышающей 5 %, аппроксимировать контур скорости звеном первого порядка с малой постоянной

Тогда ,

где .

Передаточная функция замкнутой САР по заданию

.

Ошибка по заданию

.

Статическая ошибка по заданию при

.

При ,

где n – скорость постоянной заводки (рис. 14.5 );

wСП – частота среза контура положения.

Рис. 14.5. Переходная характеристика в контуре положения с П-РП при линейной заводке.

Как можно исключить скоростную ошибку? Можно применить ПИ–РП, если нет ограничений на перерегулирова­ние. Иначе используют принципы создания полной или частичной инвариантности по управлению (рис.14.6 ).

Рис. 14.6. Структура инвариантной по управлению САР.

Из структурной схемы рис. 14.6

Чтобы была полная инвариантность по управлению, требуется:

Структурная схема инвариантной САР по управлению применительно к следящему электроприводу с П-РП дана на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Структурная схема инвариантного следящего ЭП.

Для получения полной инвариантности по управлению в структуре по рис. 14.7 требуется корректирующее звено .

Тогда .

При реализации частичной инвариантности переходные процессы в следящем электроприводе имеют вид, представленные на рис. 14.8.

Рис. 14.8. Переходные процессы в следящем ЭП с П-РП в режиме постоянной заводки:

ХЗ - линейно нарастающий сигнал задания;

ХВЫХ1- выходной сигнал без коррекции;

ХВЫХ2 - выходной сигнал с коррекцией.

Реализация корректирующего звена при полной инвариантности дана на рис. 14.9., где ЭВМ – рассчитывает задание ХЗ при ограничениях координат . Реально можно ввести в цифровых системах первую производную (скорость), вторую производную (ускорение), третью производную (рывок), существенно снизив ошибку по управлению.

Рис. 14.9. Реализация инвариантности в цифровых следящих ЭП.

В ряде случаев вводится коррекция по первой и второй производным или только по первой производной. В сущности в таких системах идет задание во времени (они все ограничены по величине). ЭВМ рассчитывает задание ХЗ согласно рис.14.10. Одновременно ЭВМ рассчитывает корректирующий сигнал, чтобы с выхода ЭВМ через АЦП выдать аналоговое задание Uзад ω на электропривод.

Рис. 14.10. Расчет задания по скорости при ограничениях координат.

В следящих электроприводах иногда используется управление с инвариантностью по возмущению (рис. 14.11.).

Рис. 14.11. Инвариантность по возмущению в следящем ЭП

Чтобы возмущение f(p) не сказывалось на выходной величине ХВЫХ, требуется . Из этого следует необходимость измерения входного воздействия и введения производных (упреждения) в корректирующее воздействие. Данные требования обычно трудно реализовать практически.