Схемы замкнутых структур электрического привода

Замкнутые структуры электрического привода строятся по принципам компенсации возмущений и отклонений, называемых также принципом обратной связи.   

Рассмотрим принцип компенсации наиболее характерного внешнего возмущения электрического привода, момента нагрузки М_c, при регулировании скорости w. Основным признаком замкнутой структуры электрического привода является наличие цепи, по которой на вход электропривода вместе с задающим сигналом скорости U_з.с. подается сигнал U_м=k_мM_с, пропорциональный моменту нагрузки М_с. В результате этого управления электропривода осуществляется суммарным сигналом U_∆, который автоматически изменяется в нужную сторону при колебаниях момента нагрузки, обеспечивая с помощью системы управления поддержание скорости электропривода на заданном уровне.

Несмотря на свою эффективность, электрический привод по этой схеме (Рис.40) выполняется редко из-за отсутствия простых и надежных датчиков момента нагрузки М_с (возмущающего воздействия).

Рис.40

В связи с таким положением подавляющее большинство замкнутых структур электропривода строятся по принципу отклонения (обратной связи). Он характеризуется наличием цепи обратной связи, соединяющей выход электропривода с его входом, откуда и пошло название замкнутых схем. Применительно к рассматриваемому примеру регулирования скорости признаком этой структуры является цепь обратной связи (Рис.41), по которой информация о текущем значении скорости (сигнал обратной связи U_о.с=k_o.c.w) подается на вход электропривода, где он вычитается из сигнала задания скорости U_з.с.. Управление электроприводом осуществляется сигналом отклонения U_D=U_зс – U_ос ( его также называют сигналом рассоглосования или ошибки). Этот сигнал при отличии скорости от заданного уровня автоматически изменяется необходимым образом и устраняет с помощью системы управления электропривода эти отклонения. Тем самым управление движением осуществляется с учетом его результата.

Рис.41

Все виды применяемых в замкнутом электроприводе обратных связей делятся на положительные и отрицательные, линейные и нелинейные, жесткие и гибкие.

Положительной называется такая обратная связь, сигнал которой направлен согласно (складывается) с задающим сигналом, в то время как сигнал отрицательной связи направлен ему встречно.

Жесткая обратная связь характеризуется тем, что она действует как в установившемся, так и в переходном режимах электропривода. Сигнал гибкой обратной связи вырабатывается только в переходных режимах электропривода и служит для обеспечения требуемого их качества, например устойчивости движения, допустимого перерегулирования и т.д.

Линейная обратная связь характеризуется пропорциональной зависимостью между регулируемой координатой и сигналом обратной связи U_о.с., в то время как при реализации нелинейной связи эта зависимость нелинейная.

В зависимости от вида регулируемой координаты в электроприводе используются все названные выше связи по скорости, положению, току, напряжению, магнитному потоку, ЭДС.

Для обеспечения заданного хода и качества технологических процессов на электроприводе кроме указанных «внутренних» обратных связей часто подаются сигналы технологических датчиков, например температуры, давления, расхода и т.д. В этом случае электропривод вместе с рабочей машиной или механизмом, реализующим технологический процесс или операцию, образуют систему автоматического регулирования.

· Комплектные электрические приводы

Прогрессивным явлением при создании средств управления и автоматизации технологических процессов является разработка и выпуск комплектных электроприводов (КЭП) постоянного и переменного тока. Комплектный электропривод представляет собой регулируемый электропривод, в состав которого входят все его функциональные элементы, согласованные по всем своим техническим и конструктивным характеристикам и параметрам.

Комплектные электроприводы находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности. Распространение комплектных электроприводов определяется более низкой трудоемкостью при его разработке и изготовлении, сокращении времени на электромонтажные и наладочные работы, удобством в эксплуатации.

Комплектные электроприводы различаются по следующим техническим данным: напряжению питающей сети; числу двигателей (одно-, двух- или многодвигательные); виду и номинальным параметрам силового преобразователя; наличию или отсутствию реверса двигателя; виду основной регулируемой координаты (электрический привод с регулируемыми скоростью, положением, мощностью); диапазону и направлению регулирования скорости; составу аппаратуры силовой цепи; наличию или отсутствию торможения; способу связи с питающей сетью ( связь через трансформатор, реактор или без них). 

· Следящий электрический привод

Следящим называется электрический привод, который обеспечивает (воспроизводит) с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления. Этот сигнал может изменяться в широких пределах по произвольному временному закону и быть механическим или электрическим. Чаще всего входной сигнал подставляет собой скорость или угол поворота оси или вала задающего устройства. Следящий электропривод применяется для антенн радиотелескопов и систем спутниковой связи, в металлообрабатывающих станках, для привода роботов и манипуляторов, в автоматических измерительных устройствах и во многих других случаях.

Классификация следящего электропривода может быть выполнена по нескольким признакам. Если следящий электропривод предназначен для воспроизведения с заданной точностью скорости движения исполнительного органа, то он называется скоростным, а если положения — то позиционным.

Различают следящие электроприводы с непрерывным или прерывным управлением; последние в свою очередь, делятся на релейные и импульсные.

В следящих электроприводах непрерывного действия напряжение, пропорциональное сигналу рассогласования, постоянно подается на двигатель.

Следящий электропривод релейного действия характеризуется тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае, когда сигнал рассогласования достигает определенного значения. Поэтому работа релейного следящего электропривода характеризуется определенной зоной нечувствительности по отношению к входному сигналу.

Импульсный следящий электропривод отличается тем, что управляющее воздействие на двигатель подается в виде импульсов напряжения, амплитуда, частота или заполнение которых изменяется в зависимости от сигнала рассоглосования. В этих случаях говорят соответственно об амплитудно-, частотно- и широтно-импульсной модуляции управления.

В следящем электроприводе используются двигатели переменного и постоянного тока, различные виды усилителей (электромашинные, магнитные, полупроводниковые, пневматические, гидравлические), датчики скорости и положения и другие аналоговые и цифровые устройства управления.

Структурная схема следящего электропривода приведена на рис.38. Следящий электропривод состоит из датчиков 1 и 5входного и выходного сигналов, измерителя рассоглосования 2, системы управления 3 и электродвигателя с механической передачей 4, который приводит в движение исполнительный орган 6рабочей машины.

Рис.38

Датчики входной и выходной величин преобразуют механические величины в электрические – входной сигнал U_вх и сигнал обратной связи U_ос. Измеритель рассоглосования 2, алгебраически суммируя эти сигналы, вырабатывает сигнал рассоглосования U_D , поступающий в систему управления электродвигателем 3. Следящий электропривод по своей структуре представляет собой замкнутую систему, действующую по принципу отклонения.

Система управления 3 состоит из регулятора (усилителя) и силового преобразователя, которые обеспечивают необходимое преобразование сигнала рассоглосования U_D в напряжение U, поступающее на двигатель. За счет выбора схем регулятора и преобразователя или введения корректирующих устройств обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения во времени U(t) при отработке входного сигнала воздействия w_вх(t) или j_вх(t). Электродвигатель и механическая передача 4 в соответствии с законом изменения U(t) обеспечивают перемещение исполнительного органа 6. Иногда двигатель с механической передачей называют исполнительным механизмом или сервомеханизмом.

· Электропривод с программным управлением

Электрический привод с программным управлением обеспечивает движение исполнительного органа рабочей машины по определенной, наперед заданной программе.

От программного устройства ПУ (рис.39) сигнал управления U_п поступает на электропривод, который обеспечивает отработку этого сигнала управления, перемещая соответствующим образом исполнительный орган ИО. Совокупность программного устройства ПУ и электропривода ЭП называют системой программного управления СПУ.

Рис.39

Вся совокупность существующих программных устройств делится на числовые и нечисловые (цикловые) программные устройства.

Электрический привод с числовым программным управлением. Такой электропривод представляет собой универсальную систему программного управления. Эта система обеспечивает существенное повышение производительности труда и качества обработки деталей.

При использовании электрического привода с частотным программным управлением все технологические данные по обработке изделий — скорости и перемещения изделий или обрабатывающего инструмента, их направления, последовательность операций при обработке и т.д. — задаются в виде чисел. Совокупность всех чисел образует программу обработки данного изделия, которая предварительно соответствующим образом рассчитывается, кодируется, записывается на тот или иной программоноситель. Перед обработкой изделия программа вводится в программное устройство электропривода, который в дальнейшем обеспечивает обработку изделия без непосредственного участия рабочего. Для обработки другого изделия требуется лишь изменить программу, что значительно сокращает время обработки за счет исключения вспомогательных операций.          

Таким образом, система программного управления с числовым программным управлением представляет собой разновидность цифрового электропривода с программным управлением.

Системы числового программного управления делятся на аналоговые (непрерывные) и дискретные (импульсные). В аналоговых системах числового программного управления совокупность чисел, образующих программу обработки изделия, преобразуется в какую-либо непрерывно изменяющуюся аналоговую физическую величину (напряжение постоянного тока, фазу или амплитуду синусоидального напряжения), которая и является входным управляющим воздействием на электропривод. В дискретных системах числового программного управления программа в конечном итоге представляется последовательностью управляющих импульсов, каждому из которых соответствует определенное перемещение инструмента или изделия. Число импульсов определяет значение перемещения, а их частота –– скорость перемещения.

Системы числового программного управления работают в одном из двух режимов: режиме позиционирования или режиме контурной обработки. Позиционные (координатные) системы числового программного управления обеспечивают точную установку инструмента относительно изделия или их прямолинейное перемещение. Инструмент или изделие при этом перемещаются по кратчайшим, прямолинейным путям между точками установки (позициями) инструмента. Контурные (функциональные) системы числового программного управления обеспечивают перемещение инструмента или изделия по произвольным траекториям, что требуется при контурной обработке изделий различной конфигурации.

Системы числового программного управления могут быть замкнутыми или разомкнутыми. В замкнутых системах с помощью датчиков измеряется действительное положение инструмента или изделия и эта информация в виде сигнала обратной связи подается в сравнивающее устройство, в котором она сопоставляется с сигналами программного устройства.

При отличии действительного положения от заданного в систему управления электропривода поступают дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие необходимую коррекцию положения инструмента или изделия. Тем самым замкнутые системы числового программного управления обеспечивают большую точность обработки изделий.

В разомкнутых системах числового программного управления движение инструмента или изделия не контролируется и не сопоставляется с заданными. Поэтому случайное изменение параметров системы или каких либо возмущений вызывает снижение точности отработки программы. Вместе с тем разомкнутые системы оказываются проще замкнутых в наладке и эксплуатации.

Электрический привод с нечисловыми (цикловыми) программными устройствами. Эти приводы используются для обеспечения повторяющихся одинаковых циклов движения исполнительных органов. Программные устройства таких электроприводов выполняются с применением различных контактных и бесконтактных аппаратов релейного действия — конечных и путевых выключателей, шаговых искателей, счетчиков, средств программируемой логики. К электроприводам с нечисловыми программными устройствами относятся также системы с использованием шаблонов и копиров, которые нашли применение в различных копировальных станках и автоматах. В таких системах обычно используется следящий электрический привод релейного действия.

В последнее время широкое применение в системах программного управления электроприводами находят программируемые контроллеры, представляющие собой специализированные ЭВМ для автоматизации цикловых и последовательных производственных и технологических процессов. Они позволяют реализовывать как простые схемы управления цикловым движением электроприводов, так и сложные системы комплексной автоматизации промышленного оборудования. Их применение оказывается экономически целесообразным при реализации схем управления, требующих использования нескольких десятков или сотен обычных электрических аппаратов — реле, логических элементов, счетчиков и т.д.

· Типовые схемы управления электрическими двигателями

Автоматизация процессов пуска, реверса и торможения значительно облегчает управление электрическим двигателем, устраняет возможные ошибки при пуске и реверсе и обеспечивает повышение производительности механизмов.

При питании двигателя от сети, автоматизация обеспечивает: постепенное включение пусковых сопротивлений, регулирование пускового тока в допустимых пределах, контролировать процесс торможения при реверсе и остановке двигателя.