Содержание к диссертации
Введение
1. Организация алгоритма работы устройства управления как средство формирования желаемых показателей качества ВП 14
1.1. Особенности ВП как объекта управления. Цель управления и краткая характеристика способов управления преобразователем 15
1.2. Упреждающее управление как необходимое условие линеаризации ВП. Способы линеаризации. Допущения и методы анализа 27
Выводы 43
2. Управление ВП при регулировании напряжения на нагрузке 45
2.1. Управление ВП в стационарном режиме работы 45
2.2. Исследование динамики ВП 68
2.3. Коррекция динамики ВП при прерывистом токе нагрузки 80
Выводы 89
3. Управление ВП при регулировании тока нагрузки 92
3.1. Специфика управления ВП как регулятором тока. Цель управления и способы ее реализации 92
3.2. Синтез алгоритма управления ВП при регулировании непрерывного тока нагрузки
3.3. Динамика системы регулирования тока нагрузки ВП при непрерывном токе. Обобщенная структурная схема системы регулирования тока Ц8
Выводы... 125
4. Регулирование тока нагрузки ВП в системе вентильного электропривода постоянного тока 128
4.1. Система регулирования тока нагрузки ВП при интегральном алгоритме измерения противо ЭДС 129
4.2. Синтез П-алгоритма управления ВП и регулирование тока нагрузки при его применении .147
4.3. Коррекция динамики системы регулирования тока с П-алгоритмом управления ВП .151
Выводы 158
5. Разработка и экспериментальные исследования ВЭП постоянного тока на базе преобразователя с упреждающим управлением 160
5.1. Основные функции и архитектура системы управления 160
5.2. Функциональные схемы и схемные решения блоков системы управления 166
5.2.1. Силовая часть вентильного преобразователя и ее связи с системой управления .166
5.2.2. Функциональная схема блока подготовки информации 166
5.2.3. Функциональная схема блока формирования опорных сигналов 172
5.2.4. Функциональная схема системы импульсно-фазового управления 175
5.2.5. Функциональная схема логического устройства распределения импульсов 180
5.3. Экспериментальные исследования ВП с упреждающим управлением 187
5.3.1. Исследование статических характеристик ВП iss
5.3.2. Исследование динамики системы регулирования тока в активно-индуктивной нагрузке 190
5.3.3. Разработка и исследование системы регулирования скорости двигателя постоянного тока 197
Заключение
Литература 211
- Упреждающее управление как необходимое условие линеаризации ВП. Способы линеаризации. Допущения и методы анализа
- Управление ВП в стационарном режиме работы
- Специфика управления ВП как регулятором тока. Цель управления и способы ее реализации
- Система регулирования тока нагрузки ВП при интегральном алгоритме измерения противо ЭДС
Введение к работе
Планом развития народного хозяйства СССР на 1981-85г.г.,намеченном решениями ХХУІ съезда КПСС, предусматривается значительное увеличение объема продукции преимущественно за счет интенсификации производства, что неразрывно связано с резким увеличением уровня его автоматизации [і] . Так, в постановлении ХХУІ съезда КПСС "Основные задачи экономического развития страны на одиннадцатую пятилетку" сказано: "...обеспечить: повышение производительности металлорежущих станков и кузнечно-прессовых машин в 1,3-1,6 раза, а также повышение точности металлорежущих станков не менее, чем на 20-30$..." [2] . Столь жесткие требования к качеству станков диктуют повышенные требования к качеству станочного электрооборудования [3-7] .
Еще в 1973 году специальным комитетом СЭВ были разработаны и приняты основные технические требования к электроприводам станков с ЧПУ [в] .В части, касающейся электроприводов подач, эти требования, в основном, сводятся к следующему:
момент электродвигателя, Нм 0,5-350
номинальная частота вращения
вала двигателя, об/мин 300-1000
- диапазон регулирования частоты
вращения до 100000
- полоса пропускания,.Гц до 100
Современные электроприводы металлорежущих станков, использующие двигатели как постоянного, так и переменного тока, в качестве одного из своих основных элементов предполагают наличие преобразователя - усилителя мощности. При этом, в диапазоне средних и больших мощностей исполнительных двигателей выбор типа преобразователя - тиристорний преобразователь с естественной коммутаци-
- 8 -ей тиристоров - диктуется отсутствием производства полностью управляемых вентилей-транзисторов, могущих коммутировать необходимый поток энергии [б,9] . Наибольшее распространение получили реверсивные преобразователи с раздельным управлением комплектами, как наиболее экономичные
Тиристорные преобразователи с естественной коммутацией обеспечивают возможность управления значительным потоком энергии,однако им, как элементам систем авторегулирования, присущи такие недостатки как нелинейность регулировочных характеристик и неполная управляемость вентилей при дискретном характере переработки управляющей информации [іО-Іб] . Эти особенности являются серьезным препятствием к повышению быстродействия, точности и диапазона регулирования вентильных электроприводов (ВЭП) [її-ІЗ,15-22] , поэтому возможность дальнейшего совершенствования ВЭП видится прежде всего в нейтрализации средствами управления присущих ВП недостатков.
Вопросы линеаризации вентильного преобразователя (ВП) как дискретного элемента, имеющего интервалы неуправляемости, начали разрабатываться в 60-х годах [19,23-25] , когда появились устройства упреждающего токоограничения и нелинейной дискретной коррекции, где впервые был применен принцип упреждающего управления ВП. В настоящее время совершенствованием алгоритмов управления и управляющих устройств занимаются практически во всех организациях, разрабатывающих вентильные электроприводы. Это - ЕНИИЭлектропри-вод и ЭНЙМС (г.Москва), ВНЙИР (г.Чебоксары), НИИКЭ (г.Новоси -бирск) и другие организации, а также ряд ВУЗов страны [16-18,26-37]
Исторически сложилось так, что разработка систем управления с прогнозированием состояния ВП особенно интенсивно началась в последние годы [l8,26,38-45] . Как следует из известных публикаций, такой подход к организации управления ВП особенно эффекти-
- 9 -вен при реализации процессов конечной длительности при регулировании фазовых координат привода и позволяет существенно расширить полосу пропускания ВЭП [26,27,35,38-40,42,44,46] .
Большой вклад в разработку вопросов проектирования систем управления БП внесли теоретические и практические исследования В.П.Шипилло, А.Д.Поздеева, О.В.Слежановского, Г.В.Грабовецкого, В.Г.Кагана, Ю.Я.Морговского и других, а также коллективов под их руководством [15,16,18,19,21,23-26,30-32,34,35,37,38,41,47] .
Проблема линеаризации ВП средствами управления с целью получения предельных значений выходных показателей ВЭП имеет несколько аспектов:
линеаризация ВП в режиме прерывистого тока нагрузки;
линеаризация системы регулирования тока нагрузки ВЦ, сводящаяся к подавлению последствий изменения структуры нагрузки при
изменении ее токового режима;
- линеаризация ВП при работе в условиях искаженной сети, т.е.
обеспечение инвариантности выходных показателей ВП к искажени
ям формы и колебаниям амплитуды питающей сети.
Как показывают исследования, проведенные рядом авторов,наиболее эффективно эти вопросы решаются, если в системе управления преобразователем прогнозируется значение регулируемого выходного сигнала ВП [іб,19,23-25,27,39,40,42,44] .
Несмотря на то, что разработке такого рода алгоритмов и систем управления посвящено большое число монографий, статей и изобретений, в совокупности упомянутые выше вопросы не нашли удовлетворительного решения. Поэтому задача линеаризации ВП во всех режимах работы , в статике и динамике, при регулировании напряжения и тока, при любом характере нагрузки и искаженном напряжении сети остается актуальной и на сегодняшний день и требует своего решения.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование быстродействующих вентильных, электроприводов на базе линеаризованных путем упреждающего управления вентильных преобразователей с естественной коммутацией и раздельным управлением комплектами.
Содержание диссертации подчинено решению следующих задач:
Сформулировать требования к желаемому закону управления преобразователем при регулировании напряжения и тока нагрузки, и обосновать необходимость его линеаризации.
Доказать, что наиболее эффективным методом линеаризации является метод упреждающего управления преобразователем. Выявить основные возмущения, компенсация которых обязательна для линеаризации ВП.
Синтезировать алгоритм управления преобразователем, линеаризующий его при регулировании напряжения и тока независимо от ' характера и параметров нагрузки, режима работы ВП и флуктуации ЭДС питающей сети.
Теоретически оценить статические и динамические показатели ВП с упреждающим управлением в различных режимах работы.
Разработать и провести комплексные испытания ВЭП постоянного тока на базе преобразователя с упреждающим управлением.
Общая методика выполнения "работы. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследовании. Теоретические исследования проводились методами теории линейных импульсных систем с использованием аппарата разностных уравнений и частотными методами анализа систем автоматического регулирования. Использовались также некоторые методы и теоремы дифференциального и интегрального исчислений, гармонического анализа и логические методы анализа и синтеза уп -
і . - II -
равлящих схем с использованием булевой алгебры. Экспериментальные исследования проводились на макетном образце ВЭП с упреж -дающим управлением.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Сформулирован желаемый закон управления ВП и показано, что его реализация возможна только в линеаризованном преобразователе. Выявлен наиболее эффективный метод линеаризации ВП как полууправляемого дискретного элемента вентильного электропривода, который заключается в упреждающем управлении преобразователем путем формирования соответствующих опорных сигналов вентилей.
Синтезированы алгоритмы упреждающего управления, линеаризующие ВП как регулятор напряжения и тока независимо от характера нагрузки и режима работы при искажениях ЭДС питающей сети.
Теоретически показано, что линеаризованный по предложенншл алгоритмам преобразователь обладает предельным быстродействием "в малом", а в системе регулирования напряжения и тока реализуются процессы конечной длительности.
Практическая ценность результатов работы:
Алгоритмы управления,-предложенные в работе, могут использоваться при проектировании вентдльных преобразователей с предельными динамическими показателями, инвариантными к флук -туациям ЭДС сети. Показано, что расчет систем ВЭП с использованием подобных преобразователей достаточно точно может производиться методами теории линейных систем автоматического регулирования с идентификацией ВП как безынерционного звена в пределах его теоретически достижимой полосы пропускания.
Даны практические рекомендации по построению рациональных структур и расчету параметров систем упреждающего управле-
ния вентильным электроприводом постоянного тока. 3. Разработан ряд схемных решений основных узлов систем управления вентильными преобразователями с естественной коммутацией и раздельным управлением, защищенных авторскими свидетельствами. На защиту выносятся следующие основные положения:
Предложенный метод линеаризации ВП как дискретного элемента ВЭП, имеющего интервалы неуправляемости, путем упреждающего управления при формировании соответствующих опорных сигналов вентилей.
Разработанные алгоритмы' упреждающего управления ВП при регулировании напряжения и тока нагрузки.
Рекомендации по организации рациональных структур и расчету параметров систем упреждающего управления ВЭП.
Схемотехнические решения основных узлов систем управления ВП с естественной коммутацией и раздельным управлением.
Результаты внедрения:
Теоретические исследования, проведенные при выполнении работы, нашли применение при разработках электроприводов многокоординатных динамических моделирующих стендов, выполненных при непосредственном участии автора, защищенных рядом авторских свидетельств и применяемых в научно-исследовательском институте автоматических систем (ШИАС, г.Москва).
Диссертация является результатом работы автора в составе группы сотрудников отраслевой научно-исследовательской лаборато-рии электромеханических систем воспроизведения движений НЭТИ по хоздоговорной тематике с рядом организаций министерств станкостроительной и авиационной промышленности, целью которой была разработка комплектных быстродействующих электроприводов пос -тоянного и переменного тока.
- ІЗ -
Основания для проведения работы:
Постановление ЦК КПСС и СМ СССР гё 104-348 от 19.12.75. "Разработка высокодинашчных электромеханических моделирующих стендов с использованием управляющих ЭВМ".
Постановление ЦК КПСС и СМ СССР гё 145 от 18.02.80. "О повышении конкурентоспособности металлообрабатывающего оборудования" .
Постановление ГКНТ СМ СССР и Госплана СССР В 526/260 от 22.12.80.
Программа ГКНТ СМ СССР № 211/425 от 06.II.81 (этап 0.01.03. 02 - "Создать и освоить в производстве комплектные электроприводы для механизмов подач").
План важнейших научно-исследовательских работ по Новосибирскому электротехническому институту на 1976-1980г.г. и 1981--1985 г.г.
Упреждающее управление как необходимое условие линеаризации ВП. Способы линеаризации. Допущения и методы анализа
Другой класс способов управления, называемых следящими, основан на оценке величины ошибки в отработке задающего сигнала на каждом интервале дискретности. В следящих системах функции преобразователя звеньев СИФУу и г (рис.1.4) неизменны. Однако, в отличие от программных систем, здесь на вход звена 4 поступает сигнал ошибки а импульсы управления вентилями вырабатываются при условии равенства нулю либо мгновенного значения ошибки, либо некоторого функционала от нее, вычисляемого в течение интервала дискретности [34,37»48,53] . Поскольку оценка ошибки ведется на каждом интервале дискретности, то в следящих системах работа звеньев J и г синхронизирована с границами интервалов [34,48,49,54,55] Причем, сигнал ГОН разворачивает по закону, определяемому функцией преобразования г , величину временного интервала, прошедшего от момента включения очередного вентиля. Поэтому при следящем споообе управления модулируется интервал времени между моментами включения двух соседних вентилей, т.е. длительность интервала дискретности. Из-за отсутствия синхронизации ГОН с определенными точками питающей сети такие системы называют также асинхронными [48] .
Очевидно, что следящие системы, базирующиеся на принципе регулирования по отклонению, работоспособны только в замкнутом по регулируемой координате контуре. Как в любой замкнутой сис теме, здесь возникают противоречия между требованиями обеспече ния необходимой устойчивости и статической точности. При различных алгоритмах слежения получается либо малая статическая точность при приемлемых динамических показателях - из-за пульсаций сигнала обратной связи [48,53J , либо малое быстродействие при отсутствии статической ошибки - в силу наличия в тракте сигнала управления интегрирующих звеньев [48,56-58] . Основной недостаток следящих систем заключается в том, что условия их устойчивости и максимального быстродействия зависят от положения "рабочей точки" ВП [36,37,48,49,54,55] . Последний факт свидетельствует, что при использовании следящих принципов управления так же не удается линеаризовать преобразователь. Таким образом, при программном способе управления, заключающемся в определении углов управления вентилей с помощью жестко заданной программы, линеаризация ВП невозможна, поскольку возмущения, действующие на преобразователь, требуют непрерывного изменения этой программы. Применение следящих способов управления, состоящих в определении такой длительности интервалов дискретности, при которой собственно ошибка в отработке задающего сигнала либо ее функционал были бы минимальны, также не позволяет линеаризовать преобразователь, поскольку информация о выходном сигнале ВП запаздывает по крайне мере на один интервал дискретности. Действительно, для реализации закона управления (1.7) при определении момента включения очередного вентиля 1(п) необходимо знать временную функцию регулируемой координаты и6ш(), которая будет иметь место уже после включения этого вентиля.
С целью сохранения достоинств программного и следящего способов управления при одновременном устранении присущих им недостатков были предложены две разновидности комбинированных алгоритмов управления. При использовании первого алгоритма ВП в стационарном режиме управляется по следящему принципу с интегральным законом слежения,а в переходном - по программному принципу [30-32,59] . Это позволяет стабилизировать статический коэффициент передачи при сравнительно высоком быстродействии. При использовании второго алгоритма система строится как программная, причем программа в зависимости от внешних возмущений перестраивается так,чтобы наилучшим образом скомпенсировать последствия их влияния на выходной сигнал ВП. Все изменения последнего под действием неучтенных возмущений или из-за несовершенства программы компенсируются за счет охвата преобразователя обратной связью по регулируемой координате [60J . Такой способ управления позволяет существенно повысить быстродействие, сохранив высокую статическую точность, поскольку основную роль в формировании динамических качеств преобразователя играет программная часть СУ.
Своеобразие последнего подхода к решению задач управления заключается в том, что здесь предпринята попытка компенсации возмущений, влияющих на регулируемую координату ВП. Такой метод будет использоваться далее для решения задач, поставленных в данной работе.
Управление ВП в стационарном режиме работы
При таком управлении на ГОН возлагается не только функция развертки во времени возможных значений углов управления, но и функция компенсации возмущении,действующих на преобразователь. Эти возмущения проявляются как в форме изменения режима работы ВП, так и в форме вариации параметров, характеризующих нагрузку и питающую сеть. Как видно из (1.32)-(1.34),задача формирования таких опорных сигналов достаточно сложна. Однако ее можно решить" проще;, чем задачу определения характеристик / нелинейных звеньев в тракте сигнала задания по (1.26)-(1.28). Покажем это на примере управления ВП в режиме предельно-непрерывных токов. Из (1.26) следует, что для определения характеристики J необходимо найти функцию, обратную іпн ,т.е. іпн . Эта операция выполнима, если известен конкретный вид ілн . Однако,по (І.ІЗ) іпн есть функционал, определенный на множестве функций, характеризующих ЭДС питающей сети &&)№). Поэтому при произвольной форме &(n)(t) нельзя определить функционал 1пн как конкретную функцию и, следовательно, нельзя определить 1лн и / . Значит, в случае работы ВП от сети с искаженной другими потребителями ЭДС, даже в режиме предельно-непрерывного тока нельзя обеспечить линеаризацию ВП путем включения построителя с какой-либо заранее вычисленной характеристикой J . С другой стороны, задача определения опорного сигнала в таком режиме может быть решена и без знания конкретного вида Є(п)() , если формировать этот сигнал как некоторый функционал сетевой ЭДС (что будет показано ниже). Поэтому,на наш взгляд, способ линеаризации ВП путем формирования соответствующей системы опорных сигналов обладает большей гибкостью, чем способ, предложенный в Гіб, 18,45] . И именно такой способ рассматривается в данной работе.
Как следует из (1.32)-(1.34), при формировании опорного сигнала должны учитываться все возмущающие воздействия, влияющие на величину выходного сигнала ВП. В этом смысле такой подход адекватен управлению по возмущению, известному из теории автоматического управления [бі] . Однако, в отличие от управления непрерывными системами,в данном случае информация о возмущениях должна получаться не в результате их измерения, а путем прогнозирования, т.е. с упреждением. Это положение с очевидностыо следует из (1.32)-(1.34), поскольку опорный сигнал формируется до момента включения вентиля, а в качестве аргументов, использующихся при его формировании, фигурируют режимы работы ВП, параметры нагрузки и сети, которые будут иметь место на очередном интервале дискретности, т.е. после включения этого вентиля. Поэтому принцип управления ВП с компенсацией возмущений и был назван упреждающим управлением.
Таким образом из проведенного выше анализа следует,что упреждающее управление является необходимым условием линеаризации ВЦа. Этот тезис, справедливый для любой динамической системы
[40,62] тем более справедлив относительно ВП, свойственная которому неполная управляемость, связанная с естественной коммутацией, делает необратимыми все последствия ошибок, допущенных в определении момента включения очередного вентиля. Поскольку в современных ВЭП требуемая частота среза и частота коммутации лежат достаточно близко, цена подобных ошибок управления слишком велика, чтобы можно было пренебрегать ею. Этот вывод подтверждается также в [27] , где показано, что только путем прогнозирования величины регулируемой координаты на очередном интервале дискретности можно достичь предельного быстродействия ВП.
Для реализации принципа упреждающего управления при формировании опорных сигналов в системе управления необходимо прогнозировать режим работы ВП в очередном интервале дискретности и величину регулируемой координаты в зависимости от возможного утла управления,параметров сети и нагрузки. В настоящее время для целей управления ВП используется ряд методов прогнозирования, которые условно можно разделить на три группы: I. Непосредственное вычисление выходного напряжения или тока ВП на интервале неуправляемости вентиля. 2. Использование нелинейных функциональных построителей в СЙФУ, аппроксимирующих заранее вычисленные зависимости регулируемой координаты ВП от сигнала задания. 3. Применение методов косвенного определения связи регулируемой координаты ВП и сигнала задания. Возможности современной вычислительной техники позволяют по известным соотношениям ГіІ,І2,І4І несколько раз за данный интервал дискретности вычислить то значение регулируемой величины ВП,которое возникнет в очередном интервале дискретности на выходе преобразователя, если включить вентиль с тем или иным углом [26,39,40] . При этом для ускорения процесса вычисления в режиме прерывистого тока нагрузки можно пользоваться соотношениями для приближенного определения длительности протекания тока ГбЗ,64] . Однако, цикл вычислений из-за сложности исходных соотношений занимает много времени и поэтому дает низкую точность прогноза. При реализации вычислителя на элементах аналоговой техники точность вычислений снижается из-за собственных погрешностей элементов схемы. В любом случае подобные методы весьма сложны и дороги в реализации.
Специфика управления ВП как регулятором тока. Цель управления и способы ее реализации
Если в системе регулирования тока используется нёлинеаризо-ванный ВП ohvtconst, то в тракт компенсирующей связи по ЭДС нуж-ЇО включить в соответствии с (3.5) и (3.6) нелинейное звено с характеристикой, обратной Kir [22] . Поэтому линеаризация ВП как регулятора напряжения является предпосылкой создания на его основе простых систем регулирования тока.
Охват комплекса "ВП-нагрузк&" ОС по противоЭДС позволяет управлять преобразователем как регулятором тока путем изменения входного сигнала задания тока Щі(тї)% величина которого определяется из (3.3) и (3.1) при Ku- l как
Таким образом, Up ( определяет падение напряжения от заданного гока на активном сопротивлении нагрузки.
Однако,при таком управлении не учитывается существование второго члена (3.3), который появляется в динамических режимах РНТ, где 1о(п) 1с п+ф Поэтому для повышения динамической точности комплекс "ВП-нагрузка" дополнительно охватывается отрицательной ОС по току (рис.3.2). Желаемые динамические качества контура тока формируются с помощью регулятора тока с передаточной функцией ЩрТ(р\ Заметим, что при нелинеаризованном ВП никакой линейный регулятор тока не обеспечит возможности оптимальной настройки системы даже в одном режиме работы ВП [94] .
Но и при линеаризованном по напряжению ВП с \\v= const, система регулирования тока (рис.3.2) остается нелинейной, если передаточная функция регулятора тока W/ r(p)= const, поскольку динамические свойства системы меняются за счет изменения И/ні (р) .Поэтому для систем регулирования тока вентильных преобразователей широко применяются адаптивные регуляторы тока, структура которых меняется в зависимости от токового режима ВП Г51,66-68,95-99J . Как правило, адаптация производится путем изменения структуры регулятора с Ш в РНТ, к И - в РПТ. Интегральный канал регулирования предусматривается для того,чтобы предотвратить размыкание контура тока в РПТ. Однако, такие регуляторы, стабилизируя некоторым образом передаточную функцию контура тока, одновременно приводят к снижению его быстродействия. Действительно, в РПТ, благодаря понижению порядка цепи нагрузки, возможно реализовать предельное быстродействие при регулировании тока [l5,I6J . Поэтому было бы логичнее стремиться реализовать предельное быстродействие и в РНТ, чтобы "состыковать" два этих режима. Иными словами, необходимо как-то скомпенсировать электромагнитную инерцию цепи нагрузки в РНТ. К решению этой задачи, в сущности, и сводится вопрос линеаризации ВП при регулировании тока нагрузки.
Из-за дискретности ВП задача компенсации 1Н путем применения аналоговых регуляторов тока с любыми передаточными функциями трудноразрешима flOO.IOI . Действительно, ВП отрабатывает сигнал управления, одной из составляющих которого является сигнал регулятора тока, измеренный в дискретные моменты времени. Регулятор тока, однако, представляет собой непрерывное устройство,где переходной процесс начинается с момента изменения входного сигнала, который в общем случае может не совпадать с моментом измерения сигнала управления. Поэтому корректирующее действие регулятора в системе с дискретным измерением управляющей информации не соответствует расчетному, выбранному из представления о системе регулирования тока как о непрерывной системе. Для того, чтобы приблизить условия работы регулятора тока к дискретному характеру переработки управляющей информации в ВП, были предложены диск-ретные ПИ- и ОД-регуляторы [lOQ,I02j ,где работа каналов интегрирования или дифференцирования синхронизирована особым образом с продолжительностью интервалов дискретности. Быстродействие таких систем значительно выше быстродействия систем с непрерывными регуляторами тока, а их точность - не хуже точности последних. Однако предельное быстродействие здесь не реализуется из-за того, что управление построено на принципе регулирования по отклонению, при котором управляющая информация запаздывает по крайней мере на один интервал дискретности.
Таким образом, мы опять приходим к необходимости применения принципа упреждающего управления ВП для выполнения условия его линеаризации (3.1). При этом, как и в случае регулирования напря-жения, нужно формировать опорные сигналы вентилей ВП таким образом, чтобы их величина в каждый момент времени соответствовала ожидаемому среднему току (3.3), независимо от токового режима работы преобразователя и формы сетевых ЭДС. Как следует из (3.3) и приведенных выше доводов, условие линеаризации ВП (3.1) при прерывистом токе нагрузки выполняется, если охватить преобразователь, линеаризованный как регулятор напряжения, положительной обратной связью по противоЭДС. Поскольку принципы такой линеаризации уже описаны в предыдущем разделе, то можно считать этот вопрос решенным и больше к нему не возвращаться.
Применению принципа упреждающего управления ВП при регулировании непрерывного тока нагрузки посвящен ряд работ [41,42, 44,46,51] . Здесь опорный сигнал для каждого вентиля формируется двумя способами: - путем многократного интегрирования дифференциального уравнения цепи нагрузки в ускоренном масштабе времени с помощью специального вычислителя; - путем построения цифро-аналоговыми методами опорного сигнала заранее вычисленной, исходя из синусоидальности сетевых ЭДС, формы. В том и другом случае действительно обеспечивается предельное быстродействие ВП, однако системы, реализующие такие алгоритмы, получаются крайне сложными. Для наглядности стоит привести здесь формулу для определения опорного сигнала, которая должна реализо-вываться в СУ второго типа [42].
Система регулирования тока нагрузки ВП при интегральном алгоритме измерения противо ЭДС
Одновременно сигнал ТГ Ei jr поступает в СУ для организации положительной компенсирующей ОС по ЭДС двигателя. Рассогласование и0шаэ между сигналами задания и со и обратной связи Uос со по скорости поступает на вход Бй-регулятора скорости, выходной сигнал которого UPC поступает на устройство токо-ограничения(ТО). Благодаря линейности внутреннего контура тока устройство ТО может быть выполнено как усилитель-ограничитель с коэффициентом усиления Кго и уровнем ограничения и о , величина которого задает максимально возможное значение тока якоря. Ограниченный по уровню сигнал регулятора скорости UpCO через HL -фильтр (Ф) поступает на вход СУ в качестве сигнала задания тока U i
В разработанном ВЭП с подчиненным регулированием тока используется шсокомоментный ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов ЭМП-8, разработанный в лаборатории электромеханических систем воспроизведения движений НЭТИ и серийно выпускаемый станкостроительным объединением "Тяжстанкогидропрессм (г.Новосибирск) в составе комплектного электропривода подач металлорежущих станков. Основные параметры двигателя таковы: - номинальный момент = 14,9 Нм - номинальный ток J. н = 21 А - номинальное напряжение и н - 87 В - номинальная частота вращения Ин - Ю00 об/мин - момент инерции J =5 0,1 кгм2 Двигатель снабжен встроенным тахогенератором постоянного тока с напряжением urr SDUUYL& номинальной скорости. -Параметры ВП и цепи нагрузки: - коэффициент передачи ВП по напряжению Ay = 16,85 - активное сопротивление якорной цепи К н = 1,1 Ом - индуктивность якорной цепи LZH t? 5,25.І0 3 Гн Электропривод должен иметь следующие показатели: - частота среза замкнутого контура т скорости си с - 314 с х - максимальное перерегулирование Ол - 22$ - максимальный ток якоря Імах ви1н = 63 А - сигнал задания номинальной скорости Цгсо = ІШ Синтез коррекции контура скорости производится методом логарифми ческих амплитудно-частотных характеристик, изложенных в ГІ5,6І] . При расчетах, приведенных в приложении 3, система регулирования тока ВП описывалась передаточной функцией безынерционного звена. Несмотря на некоторую условность такого описания,показатели ВЭП при настройке, рассчитанной с его использованием, соответствуют расчетным. Осциллограммы переходных процессов в контуре скорости с расчетными параметрами корректирующих звеньев приведены на фото (осц.15-28). Они сняты как при исследовании динамики системы регулирования тока в двух видах. В левой колонке расположены осциллограммы при отключенной коррекции динамики ВП На осциллограммах справа коррекция включена.
На первой группе осциллограмм (осц.15-20) показаны процессы при реверсе двигателя (осц.15-17) и процессы при подтормакивании без изменения направления вращения вала двигателя (осц. 18-20) на различных диапазонах регулирования скорости. Из анализа экспериментальных данных видно, что отключение коррекции динамики ВП приводит к возбуждению контура скорости на частоте 50 37ц. При разных условиях эти колебания либо затухают, либо имеют расходящийся характер (осц. 18а). В любом случав переходные процессы в системе становятся сильно колебательными со значительным перерегулированием. Включение коррекции динамики ВП стабилизирует систему регулирования скорости, а переходные процессы соответствуют расчетным (с несколько меньшим перерегулированием). Необходимо особо обратить внимание на точную отработку сигнала задания тока в системе при любых значениях противоЭДС, в том числе и в режиме токоограничения. Этот факт еще раз подтверждает линейность системы регулирования тока в различных режимах работы ВЭП.
Вторая группа осциллограмм иллюстрирует процессы отработки системой гармонического сигнала задания скорости с изменением (осц.25-28) и без изменения (осц.21-24) направления вращения вала двигателя. Отключение коррекции СУ в этих режимах приводит к увеличению фазового сдвига и к искажению формы кривой скорости.При этом ВП перестает быть линейным устройством, что подтверждается скачкообразным увеличением фазового сдвига сигналов задания и обратной связи на частоте 50 Гц при введении постоянной составляющей сигнала задания (осц.24а и 28а). Уменьшением запаса по фазе системы на этой частоте объясняется возбуждение контура скорости при скачкообразном изменении сигнала задания. Скачкообразное увеличение фазового сдвига скоростного сигнала при введении его постоянной составляющей можно, по-видимому, объяснить тем, что,поскольку при отсутствии коррекции динамики ВП не выполняются условия его линеаризации, то и не обеспечивается компенсация противоЭДС. Это,в свою очередь, приводит к изменению структуры ДПТ и, соответственно, к изменению передаточной функции ВЭП.
Включение коррекции динамики ВП линеаризует его характеристики, а процессы в системе регулирования скорости приводятся в соответствии с расчетом. Как видно из осц.246 и 286, на частоте 50 Гц завал амплитуды и фазовый сдвиг соответствуют расчетной полосе пропускания ВЭП.
