Следящий привод

Следящий привод один из важнейших элементов автоматизации технологических процессов. Решаемая им задача сводиться к точному повторению движений с существенным усилением. В художественной формулировке можно сказать, что оператору следящего привода доступно перемещение многотонных изделий посредствам легкого движения руки.

На чертеже 1 представлена модель следящего привода, который должен позиционировать подвешенную на оси вращения инерционную массу, в соответствии с углом задаваемым оператором. Образно можно представить многотонную дверь бомбоубежища, которую открывает и закрывает небольшой электромотор. Инерционная масса представлена в модели элементом схем замещений – конденсатором с номиналом 20000 ед., который подключен к редуктору с передаточным числом – 700 (элемент ET). Редуктор приводится во вращение двигателем постоянного тока (ДПТ) с возбуждением от магнита (27 В, 7 А, 157 рад/с). Якорь двигателя запитан от управляемого источника электрической энергии. Сигнал управления для которого синтезируется из анализа ошибки системы – разницы между заданным углом и текущей угловой позицией инерционной массы. В качестве датчика поворота могут использоваться либо поворотный трансформатор, либо относительный или абсолютный поворотный шифратор. В модели для получения информации о текущей угловой позиции используется интегратор, на вход которого поступает текущее значение угловой скорости инерционной массы (интеграл угловой скорости – есть угол поворота). Модель учитывает небольшие механические потери, которые могут сопровождать процессы вращения, см. R-элемент подключенный параллельно инерционной массе (параллельно конденсатору). Датчик угловой скорости встроен в этот R-элемент.

Главное затруднение, с которым связана разработка следящего привода – это короткое замыкание в цепи преобразования электрической энергии в ротационную. Поясним. Широко известно, что при прямом включении в сеть пусковой ток ДПТ в 10...30 раз превышает номинальный. Причина подобной перегрузки объясняется законом коммутации для ротационных цепей – мгновенно изменить угловую скорость вращения маховика (которым является якорь ДПТ) невозможно. В рассматриваемом следящем приводе момент инерции перемещаемой массы приведенный к валу двигателя (20000/700/700) в 15 раз увеличивает суммарный момент инерции. Прямое включение двигателя в сеть становится абсолютно неприемлемо – перегрузка во время разгона будет длиться настолько долго, что двигатель сгорит.

Таким образом проектирование следящего привода в первую очередь связано с решением обозначенного затруднения. Путь решения – очевиден. Для исключения короткого замыкания в приводе в цепи преобразования энергии необходимо установить дополнительное сопротивление. Между сетью и перемещаемой инерционной массой имеется множество точек, где можно это сделать. Самое худшее решение – использование упругих передач на входе или выходе редуктора (валов связанных скручивающейся пружиной). Созданный в механике LC-контур будет иметь высокую добротность, и никакая коррекция не решит проблемы колебаний без дополнительной фрикционной муфты. Но муфту можно использовать и без пружины. Это решение более красивое, но частичное – оно не решает проблему собственного момента инерции якоря ДПТ. При часто повторяющихся разгонах и торможениях двигатель все равно выйдет из строя при прямом подключении к сети. Остается единственное решение – ограничить поток энергонесущей материи между сетью и двигателем. Здесь возможны варианты.

На первом и третьем чертежах представлены дорогие в плане комплектации следящие приводы, но экономичные в эксплуатации. На втором чертеже представлен более дешёвый вариант привода, характеризующийся чуть худшим быстродействием и невысоким КПД. Варианты различаются техническими характеристиками преобразователя электрической энергии, от которого запитан якорь двигателя. В первом случае – это программируемый (регулируемый) источник ЭДС с ограничением по току, который должен работать во всех четырех квадрантах, обеспечивая рекуперацию ротационной энергии, как на токовых участках внешней характеристики, так и на участках напряжения. Представленный на третьем чертеже привод укомплектован схожим по сложности технической реализации четырехквадрантным программируемым источником тока с ограничением по напряжению. При изменении сигнала задания в соответствии с составляющими ряда Тейлора (ненулевое неподвижное состояние, движение с постоянной скоростью, движение с постоянным ускорением) движение координат приводов совпадает с допуском ±10 %. Но надо отметить, что привод, укомплектованный источником тока, имея ЛАЧХ вида 1-2, проявляет свойства системы с астатизмом второго порядка по причине продолжительности участка с наклоном кратным двум в области низких частот. Вариант следящего привода, представленный на чертеже 2, укомплектован существенно более простым четырехквадрантным регулируемым источником ЭДС без ограничения по току. Скорость потребления энергии в этом случае ограничена дополнительным сопротивлением в цепи якоря (6.5 Ом), которое формирует мягкую внешнюю характеристику источника ЭДС.

Чертеж 1

Чертеж 2

Чертеж 3

Ограничение тока энергии направленного на перемещение большой инерционной массы определяет наибольшую постоянную времени в системе и первые 90° задержки сигнала в контуре обратной связи. Датчик положения (интегратор) задерживает сигнал еще на 90°. Общий фазовый сдвиг в контуре составляет -180°. Следящему приводу требуется коррекция (за исключением случая, когда в комплектацию привода входит источник ЭДС с жесткой внешней характеристикой – в режиме малых сигналов он закорочен на конденсатор, что на два или три порядка уменьшает величину постоянной времени и увеличивает запасы по фазе). Для вариантов привода представленных на чертежах 2 и 3 применена пассивная дифференцирующая коррекция вместе с усилительным звеном, компенсирующим падение коэффициента. Наилучший вариант их технической реализации – цифровой сигнальный процессор. Реализация аналогового регулятора на ОУ возможна, но следует предпринять меры, препятствующие их насыщению (нелинейные обратные связи). Проблемой является большой коэффициент усиления регулятора – вместе с полезным сигналом он поднимет уровень шумов в контуре. Однако коррекцию можно реализовать в виде жёсткой локальной обратной связи (в данном случае по угловой скорости). Такое решение представлено на чертеже 4. Здесь же применён пропорционально-параболический регулятор. Надо отметить, что использование обычного пропорционального регулятора чуть улучшило бы характеристики привода, но есть специалисты, которые знают зачем надо их ухудшить. Этот факт оставим без комментариев.

Чертеж 4

7.03.2008