Силовые следящие приводы
10.3. СИЛОВЫЕ СЛЕДЯЩИЕ ПРИВОДЫ
Силовые следящие приводы (ССП) предназначены для разворота больших нагрузок и управления ими. Эти приводы применяются в системах дистанционного управления пусковых установок ракет, орудийных башен, рулей самолета; для автоматической перестановки валков в блюмингах и прокатных станах, для управления механизмами подачи металлорежущих станков (токарных, фрезерных); станков с программным управлением и т. д. Поэтому к ним предъявляют требования по обеспечению значительных выходных мощностей (от сотен ватт до сотен тысяч киловатт). Кроме того, привод должен обеспечивать плавное регулирование скорости в очень широких пределах. Расширение пределов регулирования связано с большими трудностями по обеспечению устойчивой работы двигателя на малых скоростях.
Применение в ССП двухфазных асинхронных двигателей большой мощности ограничено сложностью управления и низким КПД. В основном применяются двигатели постоянного тока о независимым возбуждением типа МИ, ДИ, П, ДП. Электродвигатели со смешанным возбуждением, отличающиеся большой перегрузочной способностью, находят применение в тех случаях, когда возмущающие моменты характеризуются резкими и значительными колебаниями.
Тип усилителя мощности зависит от уровня выходной мощности. Им может быть либо транзисторный усилитель, либо электромеханические преобразователи в виде генератора или ЭМУ поперечного поля. При использовании статического преобразователя частота вращения двигателя регулируется изменением напряжения на якоре, а при использовании электромеханического преобразователя — тока возбуждения генератора или ЭМУ.
В технике находят применение СП, построенные по схеме Г—ИД, ЭМУ—Г—ИД. В зависимости от способов достижения требуемых динамических свойств различают ССП без датчиков скорости, ССП с датчиками скорости выходного вала и ССП с датчиками скорости задающего и выходного валов.
Функциональная схема СП мощностью 0,3 ... 100 кВт, построенного по схеме Г—ИД, дана на рис. 125. В качестве ИР применены сельсины в трансформаторном режиме.
Сельсин BC связан с задающим валом, сельсин BE — с принимающим. Сигнал рассогласования U? поступает на транзисторный усилитель напряжения A, содержащий функциональные усилители прямой цепи и цепи OC. В прямом канале помимо усилителя напряжения AU1 применен каскад фазочувствительного выпрямителя UR. Сигналы суммируются на входе каскада мощности AW. Напряжение UГ на генераторе определяется результирующими ампер-витками на обмотке возбуждения, а полярность — фазой погрешности рассогласования. C частотой вращения, определяемой зависимостью n = (UГ — IaRa)/сe, двигатель M2 6 помощью редуктора q перемещает нагрузку OP и ротор BE до согласованного положения. Требуемое качество управления достигается применением ОС по направлению. Как сигнал стабилизации UСТ используется напряжение генератора, которое содержит косвенную информацию об ускорении (Ia) и о скорости (?) выходного вала:
Рис. 125. Основные схемы силового СП
При этом отпадает необходимость в применении датчика скорости выходного вала, усложняющего конструкцию и увеличивающего энергопотребление привода. Для повышения устойчивости предусмотрен дополнительный корректирующий контур K. (p), через который проходит сигнал (UСТ а затем усиливается каскадом AU2 и суммируется на предоконечном усилителе мощности AW.
В качестве генератора G могут быть использованы простые и дешевые генераторы постоянного тока. В приводах повышенной точности применяют генераторы, снабженные регулятором напряжения, подключенным к зажимам генератора. Напряжение на выходе генератора становится независимым от нагрузки генератора, частоты вращения M1 и т. д.
Система ЭМУ—ИД позволяет создавать приводы такого же порядка мощности, что и система Г—ИД. Однако для работы системы ЭМУ—ИД требуется меньшая мощность возбуждения и менее сложный усилитель, а качественные показатели, обеспечиваемые электромашинными приводами, несколько выше показателей генераторных приводов.
Функциональная схема ССП на базе ЭМУ—ИД с принимающим тахогенератором BR изображена на рис. 125, б, соответствующая ей принципиальная электрическая схема представлена на рис. 126.
Напряжение входа от ЗУ через резистор R2 поступает на каскад сумматора, выполненного на базе ОУ DA1 и предназначенного для сложения сигнала управления с сигналом главной OC, сформированной потенциометром RE, и с сигналом корректирующей OC. Суммарный сигнал через резисторы R1—R3 поступает на инверсный вход усилителя.
Сигнал, выделенный каскадом сумматора, поступает на вход предварительного усилителя напряжения A, собранного по схеме М—ДМ на ОУ.
Ha выходе усилителя получаем двухполупериодный выпрямленный сигнал. Для преобразования этого сигнала в двуполярный применен парафазный каскад на усилителях DA2, DA3 с резисторами R9 и R10 в цепях OC. Входной сигнал попадает через резистор R6 на инверсный вход DA2 и через резистор R5 на прямой вход усилителя DA3. Резисторы R4, R7, R11 выполняют функцию симметрирования операционных усилителей.
Рис. 126. Электромашинный СП
Напряжение с выхода усилителя через резисторы R12, R13 поступает на двухтактный усилитель мощности, собранный на силовых транзисторах по дифференциальной схеме с разделенной нагрузкой в виде обмоток управления ЭМУ. Каждое плечо усилителя собрано по схеме эмиттерного повторителя на сдвоенных транзисторах VT1, VT3 и VT2, VT4 для увеличения коэффициента усиления по току. Резисторы R14—R17 обеспечивают режим работы выходных транзисторов. Резисторы R18, R19 служат эмиттерной нагрузкой транзисторов VT3, VT4. Для создания токов нагрузки в смежное плечо дифференциальной схемы включен стабилизированный источник питания Uп2. Обмотки ЭМУ G зашунтированы диодами VD1, VD2 для предотвращения пробоя от ЭДС самоиндукции.
При отсутствии сигнала рассогласования токи покоя транзисторов верхнего и нижнего плеч усилителя равны по силе и создают в обмотках управления ЭМУ взаимно компенсирующие потоки. ЭМУ не возбужден. При появлении сигнала рассогласования равенство токов нарушается и на входе ЭМУ появляется разностный магнитный поток управления Фу, значение и направление которого будут определяться значением и полярностью сигнала управления.
Напряжение с выхода ЭМУ поступает на якорь двигателя M2 постоянного тока (см. рис. 125, б) и он через редуктор q поворачивает нагрузку H и движок принимающего потенциометра RE до уничтожения рассогласования (см. рис. 126).
С учетом больших инерционных нагрузок в приводе применена корректирующая OG по ускорению в виде напряжения с сериесного резистора R20 и по скорости — с тахогенератора BR с последующим дифференцированием контуром C, R27. Для правильного сложения сигналов служат делители на резисторах R21—R26.
ССП, построенный по схеме ЭМУ—Г—ИД (см. рис. 125, б), позволяет повысить диапазон мощностей до нескольких тысяч киловатт, но превосходит все приводы по сложности, количеству применяемых электрических машин и размерам. Мощность, развиваемая ЭМУ G1, должна соответствовать мощности возбуждения генератора G2, а он, в свою очередь, развивает мощность, необходимую для работы электродвигателя M3. Коррекция такого привода осуществляется суммарным сигналом с двух датчиков тока UA1, UA2 и датчика скорости BR с последующим дифференцированием контуром K (p) в цепи обратной связи.
В качестве приводных двигателей ЭМУ и генератора могут применяться как двигатели постоянного тока, так и асинхронные трехфазные двигатели переменного тока. Последние предпочтительнее, так как создают симметричную нагрузку для сети и не искажают форму питающего напряжения.
Все рассмотренные выше ССП по отношению к управляющему сигналу являются астатическими первого порядка и характеризуются наличием скоростной погрешности. Погрешности от возмущающего момента М? определяются погрешностями от внешних возмущений (действие ветра) и погрешностями от внутренних возмущений (неточность и нежесткость механизма привода). Как указывалось выше, большие размеры OP способствуют появлению значительных ветровых возмущений и создают большие моменты инерции подвижных частей. Погрешности от ветрового воздействия превышают все остальные. Они пропорциональны моменту возмущения, который, в свою очередь, пропорционален диаметру антенны в кубе.
B радиотелескопе РТ- 22 ФИАН при диаметре антенны, равном 22 м, и силе ветра 10 м/с моментная погрешность больше допустимой в 1,5—2 раза [16]. Указанную погрешность можно снизить с помощью контура компенсации ветрового возмущения с датчиками давления на антенне, а также соответствующим выбором динамических параметров привода.
Силовые редукторы в ССП характеризуются наличием зубчатых колес больших размеров, нежесткостью передач и неизбежными зазорами, которые не поддаются компенсации конструктивными способами. Влияние погрешностей механической передачи на динамические свойства привода растет пропорционально моменту инерции подвижных частей. Для ослабления воздействия упругих деформаций и уменьшения зазоров в редукторе СП охватывают жесткой ОС по скорости выходного вала, реализуемой с помощью принимающего тахогенератора. В качестве примера использования жесткой ОС может служить привод радиотелескопа, изображенный на рис. 119. Поскольку в приводе применено два исполнительных двигателя, то и ОС по скорости реализуют на основе двух принимающих тахогенераторов BR3 и BR4.
Смысл ввода жесткой ОС заключается в том, что изменение параметров звеньев, охваченных ОС, не приводит к изменению свойств привода в целом. Однако при этом возрастает скоростная составляющая погрешности привода, и для ее компенсации необходим задающий тахогенератор. В приводе радиотелескопа (см. рис. 119) в качестве дающего ТГ применен тахогенератор BR1, расположенный на выходном валу РСП.
Таким образом, для учета особенностей силовых приводов необходимо применять комбинированное управление: по отклонению и по возмущению, по углу поворота и по скорости, что существенно усложняет структуру привода. В СП с двумя датчиками скорости, в отличие от приводов с одним датчиком или вообще без них, наличие сигнала погрешности уже принципиально необязательно. Привод становится астатическим второго порядка, и, следовательно, погрешности по углу и по скорости будут равны нулю. Для обеспечения необходимой устойчивости в этом случае применяют косвенные ОС по ускорению и более высоким производным от угла поворота, реализуемые датчиками тока UA1 и UA2 (см.
рис. 119) и дифференцирующими контурами K?1(p) и K?2(p)
B электромашинном ССП (рис. 127) с двумя датчиками скорости напряжение рассогласования U? = k?? вырабатывается с помощью двух CKBT, один из которых (датчик TC) связан с задающим валом, другой TE — с исполнительным валом. Напряжение с двигателя R3 поступает на вход предварительного усилителя напряжения, выполненного на ОУ и предназначенного для усиления управляющего сигнала, а также преобразования и суммирования сигналов прямой цепи и цепи ОС.
Первый каскад, построенный на базе ОУ DА1, выполняет роль согласующего устройства и усилителя с коэффициентом передачи, равным R6/R4, резистор R5 обеспечивает режим работы каскада по току. Между входами усилителя включены диоды VD1, VD2, служащие для защиты усилителя от перегрузок при больших входных сигналах. В качестве межкаскадной связи применен конденсатор C1.
Сигнал с выхода DA1 через согласующий трансформатор T1 поступает на двухполупериодный ДМ, состоящий из двух интегральных прерывателей DA2, DA3. Для формирования сигнала опорного напряжения используются обмотки трансформатора T2 и резисторы R7 и R8. Выпрямленный и отфильтрованный цепочкой R9, C2 сигнал поступает через резистор R11 на вход ОУ DA4, выполняющего роль сумматора. Кроме сигнала рассогласования на тот же вход через резистор R12 поступает сигнал токовой OC и через R10 сигналы с тахогенераторов BR1 и BR2, расположенные соответственно на задающем и исполнительном валах СП. Для обеспечения линейного характера сложения сигналов сигналы с тахогенераторов снимаются с делителей R1, R2 и R31, R32. Резисторы R13 в цепи ОС и R14 по прямому входу обеспечивают режим работы каскада.
Рис. 127. Принципиальная схема СП с комбинированным управлением
Сформированный управляющий сигнал через резистор R15 поступает на однотактный предоконечный усилитель напряжения, который состоит из двух каскадов, собранных на транзисторе VT1 и на сдвоенном транзисторе VT2 и VT3. Высокий коэффициент усиления второго каскада обеспечивается включением транзисторов прямой и обратной проводимости по схеме с общим эмиттером.
Стабилизация рабочих точек обеспечивается установкой резисторов R16—R23. Кроме того, в цепи базы транзистора VT3 для стабилизации рабочей точки установлен диод VD3.
Выходной каскад усилителя мощности выполнен на транзисторах VT6, VT7 и действует как усилитель тока с отрицательной ОС через транзисторы VT4 и VT5 разной проводимости. Для обеспечения смещения по постоянному току и выбора рабочей точки служит резистор R26. Транзисторы VT4, VT6, образующие верхнее плечо выходного каскада, работают в режиме класса B (усиливают напряжение одной полярности и запираются при подаче напряжения другой полярности). Транзисторы VT5, VT7 образуют нижнее плечо и работают в противофазе с транзисторами верхнего плеча.
При отсутствии сигнала рассогласования вследствие равенства сопротивлений транзисторов VT6 и VT7, находящихся в режиме, близком к режиму отсечки, а также выбора равных сопротивлений резисторов R28 и R27 потенциал средней точки а близок к нулю. По управляющей обмотке ЭМУ, являющейся нагрузкой усилителя, ток не протекает, ЭМУ не возбужден и СП находится в состоянии покоя.
При поступлении на базу VT1 сигнала положительной полярности открываются транзисторы VT1—VT3. За счет падения напряжения на резисторе R22 открываются транзисторы VT5, VT7 нижнего плеча выходного каскада. Потенциал точки ? окажется ниже нулевого, и от шины нулевого потенциала через резистор R30, обмотку управления ЭМУ, резистор R29, VT7 и резистор R28 потечет ток к «—» источника питания UП. Поток обмотки ЭМУ возбудит усилитель и приведет в действие двигатель M, который через редуктор q перемещает нагрузку Н, а также ВТ-приемник в сторону согласования.
При действии сигнала рассогласования обратной полярности транзисторы VT1—VT3 закрыты. Ho за счет положительного потенциала, приложенного к базе транзистора VT4 от источника питания, открываются оба транзистора верхнего плеча. Потенциал средней точки а при этом будет выше нулевого, и через обмотку ЭМУ ток течет в другом направлении от +UП к шине нулевого потенциала.
Таким образом, этот каскад управляется изменением тока в цепях питания усилителя.
В качестве корректирующих устройств применены тахогенераторы. Напряжение с тахогенераторов BR2 используется в качестве отрицательной ОС по скорости. Напряжение с тахогенератора BR1 служит для компенсации скоростной погрешности СП. Кроме того, для обеспечения устойчивой работы СП применена отрицательная OC, пропорциональная току в обмотке ЭМУ. Сигнал токовой OC снимается с резистора R30 и вводится в усилитель с помощью сумматора DA4.
Привод обеспечивает высокую точность отработки входного воздействия при достаточных запасах устойчивости.
B качестве существенных недостатков электромашинных ССП следует отметить: большую инерционность, связанную со значительными вращающимися массами; сложность средств коррекции; наличие большого количества электрических машин; низкий КПД (0,5 ... 0,6); высокий уровень шума за счет работы контактных колец; большие размеры и массу.
Однако, несмотря на перечисленные недостатки, электромашинные ССП благодаря широкому диапазону регулируемых скоростей при значительных нагрузочных моментах, высокой перегрузочной способности (в 2 ... 4 раза), возможности форсирования скорости (в 1,5 раза) по отношению к номинальной и надежности успешно конкурируют в наземных установках с другими типами силовых СП (гидравлическими и тиристорными).
Назад | Содержание
| Вперед
