Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

На двух дорожках расположены щели,

пропускающие свет от источников UC1 и UC2

на фотодиоды ВL1 и BL2. Когда свет попада-

ет на фотодиод, он открывается; когда щель

выходит из луча света, фотодиод закрывается.

Посредством электронной схемы сигналы из

цепи фотодиода преобразуются в последова-

тельность импульсов прямоугольной формы постоянной длительности и ам-

плитуды. Число импульсов

определяет угол (путь) поворота вала.

Возможны два способа определения скорости вращения вала.

Первый - подсчитывается число импульсов N за определенное время Т.

Это число импульсов N = f

ди

T будет характеризовать среднее значение скоро-

сти за время Т. Точность измерения составит δ = 1/N, т.е. будет тем выше, чем

больше измеряемая скорость и период измерения Т. Уменьшение погрешности

при низких скоростях путем увеличения периода Т нежелательно, т.к. при этом

увеличивается расхождение между средним и

мгновенным значениями скорости.

Другой

вариант определения скорости со-

стоит в измерении интервала времени между дву-

мя импульсами путем подсчета числа высокочас-

тотных импульсов, помещаемых на измеряемом

интервале. Данный способ дает высокую разре-

шающую способность на низких скоростях. При

повышении скорости точность измерения снижа-

ется.

В цифровых системах управления элек-

троприводами получили распространение датчики

скорости и

положения типа ПДФ, дающие от 125

до 2500 импульсов за один оборот вала.

Кроме фотоимпульсных находят применение аналоговые или аналого-

цифровые датчики положения и скорости на основе вращающихся трансформа-

торов. На рис.9.5 показана схема синускосинусного вращающегося трансфор-

матора (СКВТ). СКВТ представляет собой индукционную электрическую ма-

шину, имеющую 2 обмотки на статоре: обмотку возбуждения ОВ и ком-

пенсирующую ОК, и по две обмотки на роторе, сдвинутые

на 90°.

К обмотке возбуждения подводится однофазное переменное напряже-

ние. Ток в обмотке создает магнитный поток, который во вторичных обмотках

наводит э.д.с.: в обмотке OU1 пропорциональную синусу, а в обмотке OU2 -

косинусу угла в поворота оси ротора относительно оси статора. Используя ана-

лого-цифровой преобразователь, напряжение на измерительных обмотках

можно преобразовать

в цифровой код.

Устройства, аналогичные по принципу действия, - индуктосины, при-

меняются для измерения линейных перемещений.

К устройствам, осуществляющим измерение угла поворота, относятся

также сельсины, имеющие одну обмотку возбуждения на статоре и три фазных

обмотки на роторе. Напряжение, снимаемое с обмоток ротора, пропорциональ-

но углу поворота сельсина. Сельсины применяются также в

следящих электро-

приводах в качестве датчиков рассогласования углов поворота задающего и ис-

полнительного органов.

В системах автоматизации приводов находят широкое применение дат-

чики положения, фиксирующие определенное положение исполнительного ор-

гана машины. Это путевые и конечные выключатели. Конечные выключатели

применяются для предотвращения выхода рабочего органа за пределы допус-

тимой зоны, например, датчики

переподъема в грузоподъемных механизмах.

Путевые выключатели используются для подачи команд в систему управления

в определенных точках движения рабочего органа, например, этажные выклю-

чатели в лифтовых установках. Конечные и путевые выключатели служат так-

же для реализации различных блокировок, например, отключения питания при

открывании дверей распределительного устройства и т.д.

Путевые и конечные выключатели бывают контактными и бесконтакт-

ными. В контактных выключателях замыкание или размыкание контакта про-

изводится под воздействием рычажного или нажимного привода с возвратной

пружиной.

Из бесконтактных путевых выключателей

наибольшее распространение получили индукци-

онные выключатели. Принцип действия этих вы-

ключателей поясняется схемой на рис.9.6.

Импульсный датчик имеет катушку ин

дуктивности с разомкнутым магнитопроводом.

Когда магнитопровод 1 разомкнут, индуктивное сопротивление катушки 2 мало

и по цепи катушки реле 4 протекает ток, достаточный для того, чтобы реле на-

ходилось во включенном состоянии. Когда магнитный шунт 3, закрепленный

на рабочем органе при его движении занимает положение над магнитопрово-

дом, сопротивление катушки 2 возрастает, реле отключается и происходит

пе-

реключение его контактов 5. Для более четкого срабатывания парал-

катушке датчика включен конденсатор 6, создающий в цепи при

замкнутом магнитопроводе резонанс токов.

В качестве датчиков переменно-

го тока используются, главным обра-

зом, трансформаторы тока, во вторич-

ную цепь которых включается реле

максимального тока. Иногда трансфор-

маторы тока используются для реализа-

ции обратной

связи по току. В этом

случае (см. схему рис.9.7) вторичная обмотка трансформатора тока ТТ замы-

кается на сопротивление R

. Величина этого сопротивления должна быть такой,

чтобы ток в нем был бы равен номинальному току вторичной обмотки транс-

форматора (обычно 5А) при номинальном токе главной цепи. Напряжение на

выходе выпрямителя в такой схеме (при малых токах потребления) пропорцио-

нально измеряемому току U

вых

= кI.

Датчики постоянного тока служат для формирования напряжения, про-

порционального измеряемому току, и гальванической развязки силовых цепей,

по которым протекает измеряемый ток, от цепей управления. Структура датчи-

ка постоянного тока показана на рис.9.8 Г121.

Датчик стоит из трех частей: измерительного устройства ИУ в качестве

которого обычно используется измерительный шунт, разделителя потенциалов

ПР и выходного усилителя ВУ. Напряжение U

вх

снимаемое с шунта, пропор-

циональное измеряемому току I, с помощью модулятора М преобразуется в пе-

ременное и далее с помощью демодулятора ДМ преобразуется в постоянное.

Между модулятором и демодулятором включено устройство потенциальной

развязки ПР (трансформатор или оптронная схема). Модулятор-демодулятор

коммутируется посредством высокочастотного генератора тактовых импуль-

сов. Аналогичным образом строятся

датчики напряжения постоянного тока.

В качестве датчиков тока иногда используются устройства на основе

датчиков Холла, на которые воздействует магнитное поле, создаваемое изме-

ряемым током.

9.4. Регуляторы

Электрический силовой канал регулируемых электроприводов состоит

из двигателя и полупроводникового преобразователя, питающего двигатель.

Регулирование развиваемого двигателем момента и его скорости производится

изменением параметров преобразованной электрической

энергии: напряжения,

тока, частоты. В главах 5 и 6 были рассмотрены основные системы регу-

лируемого электропривода постоянного и переменного тока. Для управления

этими параметрами необходимы регуляторы тока, скорости, положения и др.,

которые вырабатывают сигналы управления преобразователем, обеспечиваю-

щие заданное изменение контролируемых параметров в установившихся и пе-

реходных режимах.

Техническая реализация управляющих устройств, в том числе регуля-

торов, достаточно разнообразна. Можно выделить две основные ветви: анало-

говые устройства регулирования и дискретные или цифровые устройства

. На-

ходят также применение цифро-аналоговые системы регуляторов.

Цифровые системы регулирования в настоящее время реализуются на

базе микропроцессорной техники. В данном параграфе рассмотрены регулято-

ры для аналоговых систем регулирования электроприводов.

Такие регуляторы - это электронные усилители, реализующие требуе-

мую по условиям регулирования передаточную функцию

)(

рU

рW

вх

вых

рег

где U

вых

— выходной аналоговый сигнал регулятора;

вх

— входной аналоговый сигнал регулятора.

В соответствии с передаточной функцией регулятора будет происхо-

дить изменение во времени выходного сигнала регулятора. Переходная харак-

теристика регулятора - это зависимость U

вых

= f(t) при подаче на его вход сту-

пенчатого единичного сигнала U

вх

=1.

Промышленностью выпускается унифицированная блочная система ре-

гуляторов аналогового действия, построенная на интегральных микросхемах -

УБСР-АИ. В состав этой системы входят унифицированные регуляторы. В сис-

теме УБСР принят унифицированный электрический аналоговый сигнал: 0-

±10В и 0-±5мА.

Основу аналогового регулятора составляет операционный усилитель,

выполненный на базе микросхем серий К140УД или К533УД

Операционный усилитель - это усилитель постоянного тока с высоким

коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии. Для реализации требуемой

передаточной функции операционный усилитель охватывается обратной свя-

зью, состоящей из активно-емкостных сопротивлений. Передаточные коэффи-

циенты определяются соотношением сопротивлений обратной связи и вход-

ного сопротивления

)(

рZ

рU

рW

вх

ос

вх

вых

рег

== (9.2)

В аналоговых системах регулирования электропривода применяются,

главным образом, пропорциональные (П-регуляторы), интегральные (И-

регуляторы), пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы) и пропорцио-

нально - интегрально - дифференциальные регуляторы (ПИД-регуляторы). В

таблице 9.1. приведены схемы, передаточные функции и переходные характе-

ристики указанных типов регуляторов.

Таблица 9.1

Типы аналоговых регуляторов

Необходимыми элементами регуляторов являются устройства

ограничения, ограничивающие выходной сигнал регулятора на заданном

уровне. Одна из схем ограничения показана на рис.9.9.

Ограничение выходного сигнала

осуществляется с помощью стабилитронов

VD1, VD2, включенных параллельно опера-

ционному усилителю. При достижении U

вых

величины напряжения пробоя стабилитро-

на, дальнейшее увеличение U

вых

становится

невозможным и оно остается на этом уров-

не.

9.5. Микропроцессорные средства управления электроприводами

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство,

предназначенное для обработки цифровой информации, представленной в дво-

ичной форме, и управления процессом этой обработки, реализованное на одной

или нескольких больших интегральных схемах (БИС); другими словами, МП -

это стандартное универсальное

устройство, позволяющее реализовать приём,

обработку и передачу цифровой информации.

Микропроцессорная система (МПС) - это совокупность взаимосвязан-

ных устройств, включающая один или несколько (МП), память (ЗУ), устройст-

во ввода-вывода и ряд других устройств, предназначенных для выполнения не-

которых чётко определённых функций.

Микроконтроллер (МК) - устройство, выполняющее функции логиче-

ского анализа (сложные последовательности логических

операции) и управле-

ния; реализуемое на одной или нескольких БИС. МК - это микропроцессорное

устройство, в котором за счёт сокращения функций по выполнению арифмети-

ческих операций можно уменьшить его аппаратную сложность и развить функ-

ции логического управления.

Микропроцессорный комплект интегральных схем (МПКИС) - это со-

вокупность микропроцессорных БИС (базовый МПК) и других

ИС, однотип-

ных по конструктивному, технологическому исполнению, для которых обеспе-

чена функциональная, структурная, информационная и энергетическая совмес-

тимость при использовании в МПС. Микропроцессорную систему, исполь-

зуемую для управления электроприводами и технологическими комплексами

часто называют управляющей вычислительной машиной (УВМ).

Структура и взаимосвязь основных средств микропроцессорной техни-

ки (МТ) в рамках микропроцессорных. УВМ показана на рис.9.10.

МП включает арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство

управления (УУ) и блок регистров (БРГ), в который входят регистры, аккуму-

лятор адреса, флаговые состояния, программный счётчик общего назначения и

т.д. АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических опера-

ций с данными, представленными в двоичной форме.

МПС включает помимо МП (одного или

нескольких), оперативное и

постоянное запоминающее устройство (ОЗУ и ПЗУ), устройства ввода-вывода

(УВВ), ряд других. Особый класс устройств в составе УВМ составляют устрой-

ства связи с объектом (УСО).

Взаимодействие частей УВМ осуществляется посредством шин: адрес-

ной (ША), данных (ШД), и управления (ШУ), связывающих в единую систему

компоненты МПС, а также

шин измерения, контроля и управления, которые

совместно с соответствующими устройствами связи с объектом (процессом)

обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объек-

том или процессом.

МПС могут быть конструктивно подготовлены для работы с человеком-

оператором, т.е. иметь клавиатуру, дисплей и другие необходимые компоненты

- в этом случае её называют микро-ЭВМ. МПС могут предназначаться для аг-

регатирования, т.е. для работы в конструктивно и функционально едином ком-

плексе аппаратуры.

Микропроцессор - это управляющее устройство с гибким алгоритмом

работы, который программно закладывается в память процессора. Микропро-

цессор (МП) является универсальным устройством в том смысле, что заложен-

ная программа может быть изменена или полностью заменена для выполнения

других функций управления.

Возможность программирования определяет широту использования МП

для решения различных задач управления.

Последовательность команд, обеспечивающих реализацию требуемого

алгоритма управления, образует программу. Команды, заложенные в програм-

му, выполняются МП в пошаговом режиме в записанной последовательности.

Каждая команда программы содержит информацию

о том, что нужно делать с

исходными данными (операндами) и по какому адресу поместить результат

операции. Первая часть команды содержит код операции КОП (например, сло-

жение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды - адресная - содер-

жит адреса расположения операндов, с которыми производится данная опера-

ция и адрес регистра или ячейки

памяти, куда должен быть помещен результат.

Бывают и безадресные команды.

Команды, адреса и операнды МП выражаются многоразрядными дво-

ичными кодами. Современные микропроцессоры, предназначенные для управ-

ления электроприводами, оперируют с 16-разрядными словами - это количест-

во информации, обрабатываемой за цикл работы МП.

Программа может быть записана различными способами. Возможна за-

пись команд непосредственно

в машинном коде в двоичном виде. Это трудоем-

кий способ составления программы и он применяется только при составлении

малых по объему программ.

Более удобно использование языков программирования. Язык низкого

уровня типа Ассемблер представляет собой средство непосредственного обще-

ния с МП с помощью команд, представленных в условных мнемокодах. МП

воспринимает эти команды, но оперирует в своей работе, по-прежнему, с дво-

ичными числами.

Еще большие возможности для программирования представляют языки

программирования высокого уровня: Бейсик, СИ, Паскаль и другие, а также

специализированные объектно-ориентированные языки. Составленные на этих

языках программы

далее переводятся (транслируются) с помощью специаль-

ных кросс-программ в систему машинных кодов, которыми оперирует МП.

Память ОЗУ и ПЗУ в составе МПС служит для размещения данных,

программы и результатов обработки данных. Для расширения возможностей

МПС могут использоваться и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Устройства ввода-вывода информации (УВВ) служат для

взаимодейст-

вия МПС с оператором и управляемым объектом. К УВВ относятся пульты

управления и программирования, дисплеи и другие внешние устройства, а так-

же БИС параллельного и последовательного интерфейсов.

Устройства связи УСО обеспечивают связь МПС с внешними для МПС

устройствами: датчиками, несущими информацию, подлежащую обработке в

МП, и устройствами управления силовой частью

электропривода. Поскольку

некоторые датчики и устройства управления могут быть аналоговыми, возни-

кает задача перевода аналоговой информации в цифровую и обратно. Эта опе-

рация осуществляется аналого-цифровыми преобразователями ЦАП и цифро-

аналоговыми АЦП, входящими в состав УС.

Интерфейс ИУ - это совокупность аппаратных средств и программ,

обеспечивающих управления передачей информации между МП,

памятью и

внешними устройствами.

По назначению МПС можно разделить на универсальные и специализи-

рованные. Универсальные МПС используют стандартные языки программиро-

вания, имеют широкий набор периферийных устройств и могут использоваться

для выполнения разнообразных задач управления и вычислительных операций,