Системы подчиненного управления двигателем постоянного тока

Частота вращения вала (далее скорость) и электромагнитный момент – это важнейшие координаты, характеризующие любой электропривод, в том числе построенный на машине постоянного тока (далее ДПТ). Управление скоростью и моментом ДПТ позволяет сформировать желаемый вид механической характеристики. Чья форма должна быть прямоугольной для большинства приложений (запустите представленную на чертеже 1 модель привода).

Чертеж 1

Необходимость регулирования двух координат привода предполагает наличие двух обратных связей и двух регуляторов в системе (которые можно включить либо параллельно, либо последовательно). Распространены решения с последовательным включением регуляторов. Соответственно различают системы:

Общая идея настройки регуляторов заключается в том, что параметры регулятора скорости (РС) увязывают с механической постоянной двигателя и механизмов ($T_{мех}=R_я·J_{прив}/(C_м·Φ_н)^2$), а параметры регулятора тока (РТ) (т.е. регулятора электромагнитного момента) – с электромагнитной постоянной времени обмотки якоря ($T_{эл}=L_я/R_я$). Последняя обычно от 2 до 100 раз меньше механической постоянной времени. По этой причине РТ должен быть более быстродействующим. Не смотря на тот факт, что реализуемый в РС закон допускает сохранение безынерционных свойств ("прозрачность") для области высоких частот; для практической реализации более предпочтительной является САР скорости ДПТ с подчиненным контуром регулирования электромагнитного момента.

Система автоматического регулирования скорости двигателя постоянного тока с подчиненным контуром регулирования электромагнитного момента

Модель САР скорости ДПТ с подчиненным контуром регулирования электромагнитного момента представлена на чертеже 2. Система управления состоит из последовательно включенных: ПИ-регулятора скорости (с пропорциональным и с интегрирующим параллельными каналами), программируемого ограничителя сигнала, ПИ-регулятора тока и безынерционного усилителя. Последний масштабирует выходное напряжение регулятора с целью питания якоря двигателя. Программируемый источник ЭДС, к которому подключен двигатель, представляет в модели управляемый широтно-импульсной последовательностью мостовой инвертер. К валу двигателя подключена программируемая нагрузка (активное ротационное сопротивление), которая включается с временной задержкой после разгона двигателя и выхода в режим стабилизации скорости.

Типовой расчет (настройка) САР скорости ДПТ с подчиненным контуром регулирования электромагнитного момента

  1. Установить коэффициенты приведения сигналов датчиков (скорости и тока) к максимальному входному напряжению регуляторов ($±9В/Ω_{ном}$; $±9В/I_{я.ном}$; $±9В/M_{ном}$).
  2. Установить коэффициент усиления источника питания якоря ДПТ ($U_{я.ном}/U_{вых.рег.ном}$).
  3. Заблокировать вал ДПТ. Отключить интегрирующий канал в РТ. На вход пропорционального канала РТ подать максимальную уставку (по току). Подобрать коэффициент усиления пропорционального канала РТ, дабы ток якоря стал равным номинальному (стал равным уставке). Точность подбора – -50...+20 %. Разблокировать вал. Восстановить разомкнутые цепи в системе управления.
  4. Установить постоянную времени интегрирующего канала РТ равной электромагнитной постоянной якоря ДПТ ($T_{эл}=L_я/R_я$).
  5. Подключить к валу ДПТ все инерционные массы. Снять активную ротационную нагрузку. Отключить РС. Установить максимальную токовую уставку. Включить привод. Зафиксировать время разгона в условиях ограничения тока и мгновенное значение скорости соответствующее этому времени. Вычислить приведенный момент инерции ($J_{прив}=I_н·C_м·Φ_н·t_{разг}/Ω(t_{разг})$). Восстановить разомкнутые цепи в системе управления.
  6. Установить постоянную времени интегрирующего канала РС равной механической постоянной двигателя и механизмов ($T_{мех}=R_я·J_{прив}/(C_м·Φ_н)^2$).
  7. Подключить к валу ДПТ все инерционные массы. Снять активную ротационную нагрузку. Повторяя процедуру включения привода, подобрать коэффициент усиления пропорционального канала РС. Критерий – отсутствие колебаний скорости или тока после разгона. Примечания: От первого перерегулирования избавиться невозможно. Второго – быть не должно. Рекомендуемое начальное значение коэффициента – 5. Колебания должны появляться при уменьшении коэффициента. Существенное увеличение коэффициента нежелательно – повысит чувствительность системы к шумам.

Чертеж 2

Реализовать описанную систему управления ДПТ можно либо на операционных усилителях (см. чертёж 3), либо на микроконтроллере. Первый способ целесообразно применять для маломощных электроприводов в случае, если не предполагается изменение момента инерции механической нагрузки. Блок программируемого ограничителя сигнала, для данного варианта СУ, так же реализуется на операционных усилителях и подключается к цепи ООС каскада регулятора скорости. Если электропривод должен с высоким качеством перемещать разные по величине инерционные массы, то постоянная времени интегрирующего канала РС должна соответствовать нагрузке. В этом случае предпочтителен более дорогой регулятор на микроконтроллере. С небольшими модификациями его программа может быть составлена по представленной на чертеже 2 блок-схеме. В частности, программируемый ограничитель сигнала целесообразно продублировать в интеграторе РС (амплитуда перерегулирования уменьшиться). Следует так же помнить, что на частотах кратных частоте синтеза выборок управляющего сигнала (т.е. выше рабочей полосы) цифровые регуляторы полностью подавляют сигнал. По этой причине желательно выполнение условия кратности частоты дискретизации частотам промышленной сети (50 Гц и/или 60 Гц). Соответствующие помехи будут в меньшей степени воздействовать на привод. Последнее замечание касается интегратора в РТ. Здесь нежелательны дополнительные фазовые сдвиги в области высоких частот (которые свойственны интегратору ERK11). Поэтому рекомендуется использовать либо метод трапеций (DERK12), либо метод Эйлера с упреждением по фазе (DERK11).

Чертеж 3

Система автоматического регулирования электромагнитного момента двигателя постоянного тока с подчиненным контуром регулирования скорости

...

Чертеж 4

...

Чертеж 5

11.04.2010