ВЫСОКОТОЧНЫЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ

К ряду электроприводов предъявляются повышенные требования к точности поддержания скорости или программного изменения скорости. Это приводы непрерывных прокатных станов, механизмов горячей резки, рольгангов, нажимных устройств в металлургии, приводы секций бумагоделательных машин, продольно резательных станков, испытательные стенды в авиационной промышленности и машиностроении, регулирование частоты в энергетике и т. д.[19, 21].

В подобных системах различают статическую погрешность при стабилизации скорости и динамическую погрешность при периодических воздействиях возмущений момента нагрузки на валу механизма, колебаний напряжения сети.

Динамическая погрешность тем меньше, чем выше полоса пропускания замкнутой САР (частота среза разомкнутой САР). В системах, замкнутых по скорости, динамическая ошибка по скорости также меньше при увеличении момента инерции.

Рассмотрим статическую погрешность поддержания скорости. Ранее доказано, что при астатизме второго порядка в двухконтурной САР с ПИ – РС установившаяся ошибка по заданию при и , а также статическая ошибки по ступенчатым возмущениям равны нулю. Однако это верно при определенных допущениях – при отсутствии погрешностей в цепях задания, датчика обратной связи, органа сравнения.

На самом деле точность поддержания установившейся скорости в системе стабилизации с ПИ-РС зависят от точностных показателей [29 ··· 31]:

- задания уставки скорости;

- датчика скорости;

- органа сравнения.

В аналоговых САР точность аналогового задатчика зависят от диапазона регулирования. Стабилизаторы напряжения имеют погрешность 0,05 ÷ 0,1 % номинальной величины. При диапазоне регулирования 10000 : 1 , что требуется для следящих электроприводов, и при номинальной величине аналогового задания скорости в имеем для минимального задания . Говорить о точности задания подобной аналоговой величины не приходится. Погрешность задания зависит от диапазона регулирования скорости и находится в пределах 0,05 – 3%.

Долгое время для точного задания уставок использовали частоту. Генератор частоты с кварцевым резонатором позволяет получить погрешность без термостабилизации кварца и с помещением кварца в термостат. Частотный сигнал унитарный. Количество импульсов задает количество дискрет (элементарных перемещений). Частота импульсов – скорость перемещения.

Любую точность может обеспечить цифровое задание. Инструментальная погрешность в этом случае определяется единицей младшего разряда. Если используется шестнадцатиразрядный двоичный код, то погрешность задания , что вполне достаточно для промышленных систем.

Точность аналоговых датчиков скорости обычно невелика. В 80-х годах применяли тахогенераторы постоянного тока с обмоткой возбуждения, питаемой от источника напряжения. Чтобы уменьшить влияние падения напряжения на бронзографитовых щетках (0,1 – 0,3 в), номинальное напряжение тахогенератора принимается более 100 вольт. Но всегда имеется температурная нестабильность оммического сопротивления обмотки возбуждения тахогенератора

При .

Чтобы уменьшить температурную нестабильность, применяли питание обмотки возбуждения тахогенератора от источника тока и стремились выполнить магнитную систему насыщенной (рабочая точка по кривой намагничивания за перегибом).

С 90-х годов используются тахогенераторы постоянного тока с постоянными магнитами, чем исключена температурная нестабильность.

Другой недостаток тахогенераторов постоянного тока – наличие зубцовых, полосных, оборотных пульсаций в выходном сигнале, достигающих до 5% от номинального сигнала. Это требует установки фильтров на выходе датчика, понижая общую полосу пропускания САР. В целом, точность тахогенератора постоянного тока не превышает 0,1% от номинальной величины.

В последнее время нередко оказываются от применения аналоговых тахогенераторов, а используют фотоэлектрические импульсные датчики с преобразователем частота - напряжения на выходе. В этом случае можно использовать как частотный выход датчика скорости (положения), так и аналоговый.

Импульсные датчики, несущие информацию как о скорости, так и положении, нашли в настоящее время преимущественное применение в точных системах электропривода [20, 43 ··· 46]. Точность импульсных датчиков зависит как от конструкции, так и способа использования.

Точность органа сравнения не оказывает в последнее время существенного влияния на общую точность САР. В аналоговых системах регулирования в качестве органа сравнения применяются операционные усилители, дрейф нуля которых приводит к погрешности значительно меньшей, чем погрешность аналоговых органов задания и датчиков скорости. Погрешность цифрового органа сравнения не превышает единицы младшего разряда задаваемой цифровой величины.

Рассмотрим возможные точные дискретные системы стабилизации скорости. Они могут быть подразделены на классы САР:

- частотно фазовые ;

- цифроаналоговые ;

- цифровые с прямым цифровым управлением силовым преобразователем.

Частотно – фазовые системы стабилизации скорости

Структура регулятора скорости таких систем представлена на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Структурная схема частотно-фазового интегрального регулятора системы стабилизации скорости

В статическом режиме fЗ = fОС. Устройство разделения импульсов УРИ не допускает совпадения фронтов импульсов fЗ и fОС (fT >> fЗ). Фазовый дискриминатор выделяет фазу между импульсами fЗ и fОС. Преобразователь фаза - напряжение (ПФН) преобразует фазу в напряжение

Временные диаграммы работы элементов частотно-фазового регулятора скорости приведены на рис.16.1.

В такой системе число импульсов на оборот датчика обратной связи может быть небольшим (Z = 1 ¸ 10), но требуется высокая равномерность следования импульсов внутри оборота.

Аналогична система с реверсивным счетчиком (рис. 16.3), в которой Z = 1000 ¸ 5000 .

Рис. 16.2. Временные диаграммы работы элементов частотно-фазового регулятора скорости.

Рис. 16.3. Интегральный регулятор скорости на основе реверсивного счетчика.

С позиций САУ структуры рис.16.1 и рис. 16.3 могут быть последовательно преобразованы к одной (рис. 16.4 а, б, в). Параметры регуляторов в структурах на рис.16.1 и рис.16.3 могут быть рассчитаны, как для обычного ПИ – РС. Точность стабилизации скорости (статической составляющей) в подобных системах может быть достигнута 0,001% и выше.

 

Рис. 16.4. Обобщенный регулятор скорости из И - и П-регуляторов

Цифроаналоговые системы стабилизации скорости

Структура цифро-аналоговой системы стабилизации скорости представлена на рис. 16.5.

Рис. 16.5. Структура цифро-аналоговой системы стабилизации скорости

В данной системе ЭВМ берет на себя функции:

- задание скорости;

- изменение скорости в программном режиме;

- вычисление ошибки, интегральной составляющей (иногда и пропорциональной составляющей) регулятора скорости;

- индикация о фактической скорости:

Во всех рассмотренных структурах аналоговый П-РС придает системе требуемое быстродействие (частоту среза), сужает область работы фазового или цифрового интегрирующего органа сравнения.

Как объект САР, структура рис.16.5 не отличается от предыдущих, однако в данной системе имеет место преобразование аналогового сигнала в цифровой и обратно. Рассмотрим влияние дискретности сигналов по уровню и времени подробнее.

При преобразовании непрерывного сигнала в цифровой и при преобразовании цифрового в аналоговый осуществляется квантование по уровню и по времени.

Рис. 16.6. Квантование по времени и уровню в ЦАП и АЦП.

На рис.16.6 представлены непрерывные сигналы и полученные из него после квантования по уровню и по времени цифровые сигналы.

При преобразовании всегда возникает вопрос - каковы должны быть кванты по уровню и по времени?

Величина кванта по уровню - это, как правило, разрешающая способность системы управления, единица младшего разряда цифрового кода. Учитывая, что непрерывные сигналы датчиков и регуляторов систем управления и других источников не могут быть точнее 0.025 ··· 0.1 %, нет необходимости иметь точность преобразования более высокой. Поэтому используются 10-12-тиразрядные ЦАП и АЦП. При 10-тиразрядном преобразователе инструментальная погрешность D = = 0.1 %,

при 12-тиразрядном преобразователе D = =0.025 %.

Квантование по времени вносит в системы управления запаздывание на период квантования. Следует учитывать теорему Котельникова - Шеннона, согласно которой предельная полоса пропускания дискретной системы теоретически не может быть больше половины частоты квантования (fпр £ fкв/2).

Если непрерывная функция x(t) удовлетворяет условиям Дирихле (ограничена, кусочно - непрерывна и имеет конечное число экстремумов), и её спектр ограничен некоторой частотой среза wС, то существует такой максимальный интервал Dt между отсчётами, при котором имеется возможность безошибочно восстанавливать дискретизируемую функцию x(t) по дискретным отсчётам. Этот максимальный интервал Dt = p/wС = 1/(2fC).

Чрезмерное увеличение частоты квантования требует увеличения скорости вычислений в дискретной части системы. Но нет особой необходимости увеличивать полосу пропускания дискретной части больше, чем полоса пропускания непрерывной части системы. Это не даёт преимуществ.

Например, тиристорные следящие приводы не позволяют получить полосу пропускания по контуру скорости выше, чем 30 ÷ 40 Гц. Транзисторные приводы (ШИМ с ДПТ, вентильный двигатель, частотно – регулируемый электропривод со звеном постоянного тока и векторным управлением) имеют полосу пропускания выше 100 Гц.

Поэтому в системах ЧПУ при управлении тиристорными следящими электроприводами частоту квантования принимают 100-125 Гц (период квантования 8 ÷ 10мс). При управлении транзисторными приводами получить полосу пропускания дискретной части 250 ÷ 300 Гц не всегда удаётся. Быстродействие электроприводов тогда недоиспользуется.

Прямое цифровое управление системой электропривода

В этом случае все управление электроприводом ведется от микроконтроллера, в котором реализованы функции:

- программное изменение задания скорости;

- прием и обработка внешних информационных сигналов;

- расчет управляющих воздействий в соответствии с заданным алгоритмом управления;

- формирование импульсных управляющих сигналов элементами силового преобразователя (тиристоры, силовые транзисторы IGBT);

- обеспечение защит и блокировок;

- возможность самонастройки САР после задания нескольких идентификационных сигналов и др.

Примером прямого цифрового управления являются серийные вентильные и частотно – регулируемые электроприводы ряда фирм.

Рассмотрим цифровой ПИД-регулятор скорости

;

,

где - временной сигнал ошибки.

В приращениях сигнал ошибки

,

где - значение ошибки на n-ом интервале (квант во времени равен Т).

Цифровые электроприводы начинают находить все большее применение вследствие своих преимуществ:

- выше статическая точность;

- проще реализация функциональных зависимостей;

- проще учет большого числа факторов и реализация оптимальных алгоритмов;

- просто операции взвешивания, дозирования, включения;

- более пригодны для управления сложными объектами и процессами, так как способны накапливать большие массивы информации, осуществлять необходимый математический анализ этой информации, решать разветвленные логические задачи;

- внутренняя гибкость – можно перестраивать порядок операций, менять операции и структуру управления.