Управление частотой вращения БДПТ

 

Управление частотой вращения электродвигателей, практически, всех типов, включая БДПТ, производится способом широтно-импульсного модулирования.

Принцип данного регулирования рассмотрим на примере простейшего электродвигателя постоянного тока по схеме, приведенной на рис. 14.4.

Импульсное регулирование частоты вращения ЭД в данном случае производится путем периодического подключения обмоток якоря к источнику постоянного напряжения U посредством замыкания и размыкания ключа К. Ключом управляет выходной сигнал Pwm широтно-импульсного модулятора (ШИМ). При Pwm =1 ключ замкнут, Pwm =0 ключ разомкнут.

Рис. 14.3 Логическая схема управления инвертором БДПТ при наличии реверса и постоянной частоте вращения.

Рис. 14.4 Схема импульсного управления частотой вращения
электродвигателя постоянного тока.

 

Схема формирования сигнала широтно-импульсного модулирования Pwm показана на рис. 14.5.

Рис. 14.5 Блок-схема формирования сигналов широтно-импульсного
модулирования и команды реверса.

 

ШИМ состоит из следующих элементов:
- генератора пилообразных сигналов ГПС,
- блока абсолютной величины (модуля) сигнала БМС,
- реле модуляции РМ.

ГПС формирует пилообразное напряжение U г с постоянной частотой
1-20 кГц и соответствующим периодом Тм (период модуляции). БМС получает абсолютную величину управляющего сигнала U ум (U ум≥ 0). В элементе сравнения вычисляется разность Ue = U г – U ум. Сигнал Ue поступает на реле модуляции РМ, выходной сигнал которого Pwm = 1 при Ue < 0.

Работу ШИМ показывают два верхних графика на рис. 14.6.

ШИМ генерирует прямоугольные импульсы Pwm с периодом Тм и длительностью Ти. Величина Ти зависит от значения поступающего на ШИМ управляющего сигнала U у.

Обычно в применяют широтно-импульсное управление, когда период импульсов Тм является постоянным, а длительность импульсов Ти являетсяпеременной величиной.

Изменение частоты вращения электродвигателя постоянного тока при импульсном управлении показано на рис. 14.6.

При замыкании цепи якоря на время Ти к обмоткам статора подводится напряжение U эд = U, ток в цепи якоря I нарастает до значения Imax. При размыкании цепи якоря ток уменьшается до значения Imin.

Среднее напряжение, прикладываемое к двигателю,

                                               U эд = U ср = g U,
где g = Ти / Тм – относительная длительность импульсов (коэффициент управления).

Работа электродвигателя при импульсном управлении состоит в чередовании периодов разгона ротора (при подаче импульса) и его торможения (при прекращении импульса). В результате ротор вращается со средней частотой F эд = F ср, уменьшенной по сравнению с номинальной.

Уменьшение пульсаций частоты вращения двигателя достигается за счет выбора периода импульсов Тм на порядок меньшим постоянной времени двигателя Тэд. На практике частота импульсов питания ЭД составляет 0.2 – 20 кГц.

Наличие в структуре БДПТ коммутатора (полупроводникового или микропроцессорного) предоставляет широкие возможности для использования различных способов импульсного управления частотой вращения двигателя на основе ШИМ по слаботочным цепям [18].

 

Рис. 14.6 Временная диаграмма работы ШИМ и изменения параметров
             электродвигателя постоянного тока при импульсном управлении.

 

Все способы импульсного управления можно разделить на 3 группы, определяющие различные механические и регулировочные характеристики БДПТ:
- с пассивной паузой,
- с динамическим торможением в паузе,
- с двухполярными импульсами.

Управление с пассивной паузой заключается в том, что во время паузы между управляющими импульсами (когда Pwm =0) обмотки статора БДПТ отключаются от источника питания посредством закрывания ключей инвертора.

При этом возможны два варианта:
- в паузе отключаются все ключи инвертора, открытые по сигналам датчиков
положения ротора (симметричная модуляция);
- в паузе закрывается только одна группа открытых ключей положительной
или отрицательной полярности (асимметричная модуляция).

В случае реверсивного управления частотой вращения БДПТ с пассивной паузой и асимметричной модуляцией, когда в импульсном режиме работают ключи, подающие на обмотки положительное напряжения, изменение состояния ключей инвертора определяется следующими логическими зависимостями:

Логическая схема данного варианта управления БДПТ представлена на рис. 14.7, а временная диаграмма работы БДПТ – на рис. 14.8.

При симметричной модуляции в режиме ШИМ последовательно работают все ключи. Временная диаграмма работы БДПТ при пассивной симметричной модуляции показана на рис. 14.9. Из диаграммы видно, что каждый ключ работает в режиме ШИМ в течение 60º и, тем самым, обеспечивается равномерная нагрузка всех силовых ключей.

Рис. 14.7 Логическая схема управления инвертором БДПТ при наличии
  реверса и пассивной асимметричной модуляции.

 

 

Рис. 14.8 Временная диаграмма работы трехфазного БДПТ при пассивной
асимметричной 120-ти градусной модуляции ключей
положительной полярности.

 

Рис. 14.9 Временная диаграмма работы трехфазного БДПТ при пассивной
симметричной 120-ти градусной модуляции.

 

Управление БДПТ с динамическим торможением в паузе может производиться различными способами.

Наиболее простым является способ несимметричного динамического торможения, при котором открываются ключи отрицательной полярности в паузах в соответствии со следующими логическими выражениями:

Логическая схема данного варианта управления БДПТ представлена на рис. 14.10, а временная диаграмма работы на рис. 14.11.

При управлении частотой вращения БДПТ двухполярными импульсами в паузах между импульсами ШИМ к обмоткам статора подаются напряжения противоположного знака. В этом случае при коэффициенте управления γ =0.5 ротор двигателя неподвижен, так как продолжительность его включения на вращение в каждом направлении одинакова. Такой способ отличается низкими энергетическими характеристиками при довольно высоком качестве механических и регулировочных характеристик.

Рис. 14.10 Логическая схема управления инвертором БДПТ при наличии реверса и переменной частоте вращения с динамическим торможением.

 

Рис. 14.11 Временная диаграмма работы трехфазного БДПТ при 120-ти градусной модуляции с динамическим торможением.

 

Элементы управления БДПТ объединены в контроллер, схема которого приведена на рис. 14.12.

 

Рис. 14.12 Функциональная схема контроллера БДПТ.

 

Контроллер содержит рассмотренные ранее широтно-импульсный модулятор ШИМ и реле реверса РР, выходные сигналы которых управляют частотой вращения и направлением вращения ротора БДПТ.

Сигналы Pwm и R, а также сигналы датчиков положения ротора Sa, Sb и Sc поступают на модуль управления ключами инвертора МУК.

МУК формирует сигналы управления в соответствии с логическими выражениями и логическими схемами, примеры которых приведены выше.

 

15 Динамические свойства электрических
исполнительных механизмов

Поскольку следящая система является системой регулирования положения ИМ, то качество ее работы определяется динамическими свойствами ИМ.

В соответствии с приведенными выше функциональными схемами САР электрический ИМ представляет последовательное соединение электродвигателя и механической передачи.

Динамические свойства электрического ИМ отражаются его структурной схемой, показанной на рис. 15.1.

 

Рис. 15.1 Структурная схема электрического ИМ.

 

По динамическим свойствам электродвигатель считается типовым одноемкостным устойчивым звеном, а механическая передача – интегрирующим звеном, так что их передаточные функции:

Коэффициенты передаточных функций:

K _эд – коэффициент передачи электродвигателя,

Т_эд – постоянная времени электродвигателя,

Т_им – время исполнительного механизма.

Значение Т_эд определяется суммарным моментом инерции ротора ЭД и всех механически соединенных с ротором элементов механической передачи и регулирующего органа.

Значение Т_им определяется максимальной скоростью ИМ и величиной полного хода ИМ.

Передаточная функция всего ИМ имеет вид:

ИМ с такой передаточной функцией по классификации объектов регулирования является двухъемкостным нейтральным ОР [8], [15].

Значения коэффициентов передаточной функции ИМ могут содержаться в документации на регулятор.

При отсутствии данных в документации коэффициенты можно определить по экспериментальным разгонным характеристикам ИМ.

Методику получения разгонных характеристик ИМ и определения значений коэффициентов его передаточной функции можно найти в [8].

Для получения разгонных характеристик необходимо скачком подать номинальный (100-процентный) сигнал усилителя на ЭД.

Пример разгонных характеристик ИМ приведен на рис. 15.2.

Если на разгонных характеристиках ИМ имеет полное перемещение (от 0 до 100%), то коэффициенты Т_эд и Т_им определяются так, как это показано построениями на рис. 15.2.

Рис. 15.2 Разгонные характеристики электрического исполнительного
механизма.

Поведение ИМ в следящей системе определяется значением отношения Т_эд/Т_им.

Графики разгонных характеристик для различных Т_эд/Т_им приведены на рис. 15.3.

Рис. 15.3 Разгонные характеристики электрических ИМ при различном
отношении Т_эд/Т_им.

 

Если значение Т_эд пренебрежимо мало по сравнению со значением Т_им, так что можно считать Т_эд ≈0, то ИМ становится одноемкостным нейтральным ОР с разгонной характеристикой М0 на рис. 5.3.

Тогда задача создания следящей системы с хорошими рабочими свойствами решается достаточно простыми средствами.

Увеличение инерционности электродвигателя (увеличение значения Т_эд/Т_им) вызывает трудности в обеспечении требуемого качества работы следящей системы.

Уменьшить проявления инерционности ЭД можно посредством контура регулирования частоты вращения ЭД по схеме, показанной на рис. 1.6.

В этом случае этот контур и механическую передачу можно рассматривать как условный ОР, динамические свойства которого отражаются структурной схемой, приведенной на рис. 15.4.

Рис. 15.4 Структурная схема ИМ как приведенного ОР с контуром
регулирования частоты вращения ЭД.

 

Дополнительно к ранее введенным передаточным функциям на рис. 15.4 обозначены:

W у(s) – передаточная функция усилителя,

W дч(s) – передаточная функция датчика частоты вращения электродвигателя,
W куч(s) – передаточная функция последовательного корректирующего
              устройства контура регулирования частоты вращения ЭД.

Заменив в данной структурной схеме контур на эквивалентное звено, схему можно преобразовать к виду, показанному на рис. 15.5.

 

Рис. 15.5 Преобразованная структурная схема ИМ с контуром
         регулирования частоты вращения ЭД.

 

Передаточная функция эквивалентного звена (приведенного электродвигателя) определится выражением:
                                                                                                                                                 

(5.1)

 

При автоматизации судовых ОР в контуре регулирования частоты вращения ЭД вполне можно использовать пропорциональный закон регулирования, когда
                                             W куч(s) = k_pf,
где k_pf – коэффициент пропорциональности.

Кроме того, можно считать, что
                                             W дч(s) = 1 и W у(s) = k _у,
где k _у – коэффициент усиления усилителя.

После подстановки в выражение (5.1) конкретных передаточных функций оно примет вид:
                               
или после упрощения

 

где                                               - приведенная постоянная времени ЭД.

 

 

Как правило, произведение k_pfk _у k _эд значительно превосходит 1 и Т_эдп < Т_эд.

Следовательно, контур регулирования частоты вращения ЭД улучшает динамические свойства ИМ как объекта регулирования.

Настроечный параметр контура регулирования частоты вращения ЭД можно задавать довольно большим, например, k_pf =100.

В этом случае Т_эдп≈ 0.01 Т_эд≈ 0, то есть приведенный ЭД становится практически безинерционным.

Полученный результат справедлив для линейной модели ИМ, тогда как в реальных регуляторах технические ограничения сигналов не позволят проявиться этому свойству при больших входных воздействиях.

Для иллюстрации влияния ограничения сигналов на динамические свойства ИМ на рис. 15.6 приведены разгонные характеристики ИМ, полученные с ограничением и без ограничения сигнала на выходе усилителя.

Из графиков следует, что:

- при неограниченном сигнале усилителя частота вращения ЭД F эд изменяется практически скачком вслед за скачкообразным изменением сигнала заданной частоты вращения ЭД F з;

- при ограниченном сигнале усилителя частота вращения ЭД F эд изменяется по экспоненте с постоянной времени Т_эд, также как и без контура регулирования частоты вращения ЭД.

 

Рис. 15.6 Разгонные характеристики ИМ с контуром регулирования
частоты вращения ЭД.

 

Тем не менее, при выходе САР в установившиеся состояния, когда сигнал на выходе усилителя сходит с ограничения, поведение следящей системы приближается к линейному и контур регулирования частоты вращения ЭД начнет оказывать положительное влияние.

Это будет показано далее при рассмотрении следящих систем с переменной скоростью перемещения ИМ.

16 Следящие системы с постоянной скоростью
перемещения ИМ

 

Постоянная скорость перемещения ИМ обуславливается применением в следящей системе асинхронного электродвигателя переменного тока.

Функциональная схема следящей системы первого типа (рис. 1.2) применительно к системам с постоянной скоростью перемещения ИМ имеет вид, представленный на рис. 6.1.

 

Рис. 16.1 Функциональная схема следящей системы первого типа
с постоянной скоростью перемещения ИМ.

 

На схеме обозначено:
МН - модуль нечувствительности,
РУ - релейный усилитель.

В рассматриваемой следящей системе:
- усилитель выполняется на тиристорах или транзисторах,
- модуль нечувствительности выполняется на элементах электронной аналого-
вой или микропроцессорной техники.

Регуляторы с данной следящей системой являются простыми по устройству, они достаточно надежны и имеют меньшую стоимость по сравнению с регуляторами с переменной скоростью ИМ.

Однако:
- наличие зоны нечувствительности создает погрешность следящей системы и,
вследствие этого, погрешность поддержания регулируемой величины;
- в контуре следящей системы возможно появление незатухающих колебаний
положения ИМ, что может привести к поломке ИМ и РО.

Тем не менее, эти регуляторы широко используются в автоматике судового энергетического оборудования.
   Вид переходных процессов в следящей системе с постоянной скоростью ИМ, которые приведены на рис. 16.2, зависит от значений Т_эд/Т_им, D _н, D _в и может быть:
- монотонным (М1, М2),
- апериодическим (М3),
- колебательным (М4).

Рис. 16.2 Виды переходных процессов в следящей системе с постоянной
 скоростью ИМ.

 

Кроме того, в таких следящих системах возможны незатухающие колебания с постоянной амплитудой (автоколебания), пример которых показан на рис. 6.3.

 

Рис. 16.3 Автоколебания в следящей системе с постоянной
 скоростью ИМ.

 

Автоколебания в следящих системах недопустимы, так как при этом:
- ухудшается качество работы всей системы регулирования,
- динамические механические нагрузки, вызываемые периодическими подачей
и отключением электропитания ЭД, могут привести к поломке механической
 передачи.

Настройка данных следящих систем заключается в определении значений зон D _н и D _в, обеспечивающих:
- требуемую точность установки ИМ в заданное положение,
- максимальное быстродействие,
- минимальное перерегулирование 2-3% или отсутствие перерегулирования.

Задача определения минимальной зоны нечувствительности была решена с использованием компьютерного тренажера системы автоматического регулирования со следящей системой [9] для скачкообразного изменения сигнала заданного положения ИМ Мз.

Результаты представлены линией 1 на рис. 6.4, которая показывает зависимость минимальной допустимой D _н, обеспечивающей отсутствие автоколебаний, от отношения Т_эд/Т_им.

Рис. 16.4 Минимальная зона нечувствительности для регуляторов с
постоянной скоростью ИМ.

 

 

В этом случае следящая система будет удовлетворять приведенным выше требованиям, что иллюстрируется графиками переходных процессов на рис. 6.5.

Рис. 16.5 Пример переходных процессов в следящей системе с постоянной
скоростью ИМ при минимально допустимой D _н.

 

Линия М1 на рис. 6.5 соответствует модулю нечувствительности с зоной возврата D _в =0. Если D _в ≠0, то минимальная зона нечувствительности должна быть увеличена на значение D _в (см. линию М2 на рис.6.5).

В судовых условиях, когда может оказаться недоступным экспериментальное определение коэффициентов передаточной функции ИМ, можно настроить зоны D _н и D _в по следующей методике:
- установить D _н =0 и D _в =0;
- в следящей системе должны возникнуть автоколебания;
- постепенно увеличивать D _н до исчезновения автоколебаний;
- если необходима зона возврата, то можно задать D _в =(0.2÷0.5) D _н;
- увеличить зону нечувствительность на значение зоны D _в;
- если откорректированное значение D _н меньше погрешности следящей системы, указанной в технической документации, целесообразно увеличить D _н.

При работе следящей системы в составе САР на большей части переходных процессов сигнал задания изменяется с ограниченной скоростью.

Примеры работы следящей системы при линейном изменении сигнала задания приведены на рис. 16.6.

Рис. 1.6 Примеры работы следящей системы при линейном изменении
сигнала задания.

 

Из графиков следует, что перемещение ИМ М с точностью до зоны нечувствительности следует за изменением сигнала заданного положения ИМ Мз.

Повысить точность следящей системы с постоянной скоростью перемещения ИМ, то есть уменьшить зону нечувствительности, можно использованием следящей системы второго типа (рис. 1.5), которая содержит корректирующее устройство положения КУП по схеме, приведенной на рис. 16.7.

В КУП может быть использован типовой ПИД закон регулирования, например, с одной из следующих передаточных функций:

 

Рис. 16.7 Функциональная схема следящей системы с постоянной скоростью ИМ и КУП.

Подбор настроечных параметров КУП выполнялся на компьютерном тренажере системы автоматического регулирования со следящей системы [9] при передаточной функции КУП Wpid 1 для скачкообразного изменения сигнала заданного положения ИМ Мз.

В результате были получены следующие значения параметров, при которых допустимая минимальная зона нечувствительности уменьшилась в 2 раза (по сравнению с отсутствием КУП), а быстродействие следящей системы осталось таким же:
- коэффициент пропорциональности k_pp = 1.0,
- время интегрирования                  T_ip = T_им,
- время дифференцирования          T_dp = 0.05 T _им.

При k_pp = 1.0 и T_dp = 0.05 T_ip эти значения параметров могут быть приняты и для двух других модификаций ПИД закона.  

Дополнительно оказалось необходимым ограничить интегральную составляющую закона регулирования │ Ui │< 2%.

Зависимость минимальной зоны нечувствительности от отношения Т_эд/Т_им для рассматриваемого случая представлена линией 2 на рис. 16.4.

Качество работы следящей системы при данной настройке показано на рис. 6.8 (переходные процессы с индексом «2»).

При отсутствии КУП и такой же зоне нечувствительности перемещение ИМ М (линия с индексом «1» на рис. 6.8) имеет перерегулирование около 5%.

 

Рис. 16.8 Влияние корректирующего устройства позиционирования на работу следящей системы с постоянной скоростью ИМ.

Если интегральную составляющую не ограничивать, то качество работы следящей системы ухудшится. По графикам на рис. 6.9 видно, что в этом случае исполнительный механизм выходит на верхний упор (М =100%) и остается в этом положении длительное время.

Переходные процессы в следящей системе с постоянной скоростью ИМ для линейного изменения сигнала задания Мз приведены на рис. 6.10.

Рис. 16.9 Переходные процессы в следящей системе с постоянной скоростью
ИМ без ограничения интегральной составляющей.

Рис.1 6.10 Переходные процессы в следящей системе с постоянной
                            скоростью ИМ при линейном изменении задания.

 

По графикам на рис. 6.10 видно как с уменьшением скорости перемещения ИМ повышается точность следящей системы.

17 Следящие системы с переменной скоростью
перемещения ИМ

 

Основной причиной применения в судовой автоматике регуляторов с переменной скоростью ИМ является инерционность ИМ и регулирующего органа, которая в следящих системах с постоянной скоростью ИМ не позволяет уменьшить зону нечувствительности настолько, чтобы обеспечить требуемую точность поддержания регулируемой величины и отсутствие автоколебаний в контуре регулятора.

Эта проблема имеет особо важное значение для регуляторов частоты вращения судовых дизелей, которые должны перемещать топливные рейки дизелей со скоростью на один-два порядка большей скоростей перемещения регулирующих органов остальных агрегатов и механизмов судовой энергетической установки, обеспечивая при этом повышенную точность установки топливных реек в заданное положение.

Процесс развития средств автоматизации и, в частности, следящих систем с переменной скоростью ИМ привел к следующим общепринятым принципам построения данных следящих систем:
- использование БДПТ,
- использование энкодеров и резольверов в качестве датчиков положения ротора
БДПТ и ИМ,
- каскадное построение систем с контурами регулирования частоты вращения
электродвигателя и силы тока.

Как было показано выше, контур регулирования частоты вращения (КРЧВЭД) уменьшает влияние инерционности движущихся частей следящей системы на качество ее работы.

Контур регулирования силы тока в электродвигателе предназначен для предотвращения перегрузки по току электродвигателя и инвертора.

Функциональная схема следящей системы с переменной скоростью перемещения ИМ, отражающая указанные принципы, представлена на рис. 17.1 [16].

 

 

Рис. 17.1 Функциональная схема следящей системы с переменной скоростью ИМ.

 

Следящая система является трехкаскадной:
- первый каскад – контур регулирования силы тока,
- второй каскад – контур регулирования частоты вращения ЭД,
- третий каскад – следящая система целиком.

Следящая система должна перемещать ИМ таким образом, чтобы его положение М изменялось с возможно меньшей погрешностью по отношению к изменяющемуся сигналу заданного положения ИМ Мз.

Датчиком положения ИМ служит трехканальный энкодер Enc, последовательности импульсных сигналов которого A, B, 0 в преобразователе энкодер-код ПЭК преобразуется в цифровой сигнал действительного положения ИМ Мд.

Отклонение положения ИМ от заданного еМ=Мз-Мд поступает в корректирующее устройство положения исполнительного механизма КУП, как правило, с П законом регулирования.

Выходной сигнал КУП F зк является сигналом заданной частоты вращения ЭД. Окончательное значение заданной частоты вращения ЭД F з получается после фильтра задания ФЗЧВ, ограничивающим влияние квантованности сигнала ПЭК и высокочастотных помех на сигнал з адания частоты вращения ЭД.

Датчиком положения ротора ЭД служит резольвер Rsv, выходные сигналы которого U 1 и U 2 в преобразователе резольвер-код ПРК преобразуются в сигналы:
- угла поворота ротора электродвигателя g,
- частоты вращения электродвигателя F д.

Фильтр измеренной частоты вращения ФИЧВ уменьшает влияние неравномерности вращения ЭД и высокочастотных помех на сигнал F д.

По выходному сигналу ФИЧВ F дф вычисляется отклонение частоты вращения ЭД от заданной eF = F з- F дф.  

Сигнал отклонения поступает на корректирующее устройство частоты вращения КУЧВ. КУЧВ, работающее обычно по ПИД закону регулирования, формирует составляющую заданной силы тока I зк.

Модуль упреждения по сигналу F з формирует вторую составляющую заданной силы тока I зу.

Суммарный сигнал заданной силы тока для первого контура получается как I зс= I зк+ I зу.

Величина I зс ограничивается в ограничителе задания тока ОЗТ до значения I з. Таким образом, ограничение задания для контура регулирования силы тока ограничивает фактическую силу тока при работе следящей системы и предотвращает отказы инвертора и электродвигателя от перегрузок по току.

Сила тока измеряется датчиком тока ДТ, выходной сигнал которого I д соответствует фактической силе тока в электродвигателе I эд.

Отклонение силы тока от заданного значения eI = I з- I д поступает на корректирующее устройство тока КУТ, формирующее обычно по ПИ закону управляющий сигнал U у.

Сигнал U у вместе с сигналом угла поворота ротора ЭД поступают на контроллер. Контроллер по этим сигналам формирует модулированные сигналы U м  управления силовыми ключами инвертора.

Инвертор подает соответственно питание на обмотки статора электродвигателя (в данном случае БДПТ), через которые протекает ток I эд.

Это приводит к вращению электродвигателя с частотой вращения F эд.

Модуль упреждения предназначен для ускорения перемещения ИМ сразу при изменении сигнала заданной частоты вращения ЭД F з. С этой целью МУ может содержать форсирующее звено с передаточной функцией

W му (s) = k_{p у} (T_{d у} s +1),

где k_{p у} – коэффициент пропорциональности канала упреждения,

   T_{d у} – время дифференцирования канала упреждения.

  Также сигнал I зу на выходе МУ уменьшает интегральную составляющую в сигнале I зк, что улучшает работу следящей системы.

Далее было получено, что достаточно хорошее качество работы следящих систем может быть получено и при отсутствии канала упреждения.

Ограничение силы тока включает:
- ограничение по тепловому состояния ЭД,
- ограничение, задаваемое вручную.

Первое ограничение силы тока производится по математической модели теплового состояния ЭД, включенной в состав ОЗТ.

Выбор конкретных законов регулирования для корректирующих устройств следящей системы и их настроечных параметров выполняется известными методами наладки каскадных САР [15].

Качество работы контура регулирования тока обеспечивается предприятиями-изготовителями электрических сервоприводов, которые поставляют заказчикам полностью собранные и настроенные модули коммутатора и БДПТ..

Таким образом, разработчику судовых САР с переменной скоростью ИМ остается задача выбора закона регулирования для КУП и КУЧВ, а также настроечных параметров этих корректирующих устройств.

Судовые инженеры механики и электромеханики, в свою очередь, должны уметь выполнять настройку КУП и КУЧВ при эксплуатации ГД и его системы автоматизации.

Одним из основных требований к следящим системам является отсутствие статической ошибки, то есть при работе на постоянной нагрузке объекта регулирования должно выполняться условие: М=Мз.

Наличие электродвигателя в ИМ дает нулевую статическую ошибку следящей системы при любом типовом законе

Действительно, при неподвижном электродвигателе и ИМ (причем, когда 0 <М< 1) сила тока I эд= 0, что выполняетя при I зс =0, F з =0, е М= 0.

Следовательно, условие е М= 0 (отсутствие статической ошибки и равенство М= Мз) выполняется независимо от закона регулирования в КУП.

Это можно показать аналитически по передаточной функции следящей системы.

Заменим контуры регулирования силы тока и частоты вращения ЭД одним эквивалентным звеном с передаточной функцией W кчв(s), и тогда структурная схема следящей системы может быть представлена к виду, показанному на рис. 17.2.

Рис. 17.2 Упрощенная структурная схема следящей системы
с переменной скоростью ИМ.

 

В этом случае передаточная функция замкнутой следящей системы может быть записана следующим выражением:

В соответствии со свойствами преобразования Лапласа статическое положение ИМ Мст для скачкообразного изменения задания Мз на величину Мзо может быть найдено как:

или после подстановки выражения передаточной функции W мп(s) из подраздела 2.2и упрощающих преобразований

Отсюда можно получить при s = 0 Мст = Мзо, что доказывает отсутствие статической ошибки.

Предельное быстродействие следящей системы может быть оценено по разгонной характеристике ИМ (см. рис. 5.2).

Время полного перемещения ИМ от 0 до 100%  Т_пим = Т_эд + Т_им является минимально возможным интервалом времени, за который следящая система может обеспечить полный ход ИМ.

Быстродействие следящей системы можно оценить по относительному времени полного хода ИМ в следящей системе:

                   Т_осс = (Т_эд + (t сс - Т_эд) 100 / dM к) / Т_пим ,

где t сс – интервал времени, за который ИМ достигает заданного положения (см.
           рис. 17.3),
dM к – величина перемещения ИМ при скачкообразном изменении задания Мз (рис. 7.3).

 

Рис. 17.3 Переходные процессы в следящей системе с переменной
скоростью ИМ при Т_эд/Т_им= 0.5.

 

Рис. 17.4 Переходные процессы в следящей системе с переменной
скоростью ИМ при Т_эд/Т_им= 0.1.

 

Показатель Т_осс≥ 1, и чем ближе значение к 1, тем больше быстродействие следящей системы.

Рассмотренное свойство следящей системы с электродвигателем позволяет применить в КУП наиболее простой пропорциональный закон регулирования.

Коэффициент пропорциональности k_pp для КУП был подобран на тренажере электрической САР с переменной скоростью ИМ [10] при скачкообразном изменении сигнала задания Мз.

При решении задачи использовалась расчетная структурная схема следящей системы, представленная на рис. 7.5.

 

Рис. 17.5 Расчетная структурная схема с следящей системы с БДПТ.

 

Расчетная схема была получена из полной функциональной схемы (рис. 7.1) при следующих условиях:
- отсутствуют МУ и ОЗТ,
- эквивалентные передаточные функции цепей измерения частоты вращения ЭД
и положения ИМ равны 1,

- контур регулирования силы тока заменен эквивалентным звеном с передаточ-
ной функцией W кт(s).

Постоянные времени контура регулирования тока много меньше постоянных времени остальных элементов следящей системы. Поэтому было принято, что при работе системы сила тока I эд всегда равна сигналу задания I з, то есть передаточная функция W кт(s)= 1.

 Примеры полученных переходных процессов в следящей системе показаны на рис. 17.3, 17.4.

Определение коэффициента пропорциональности КУП было произведено для двух вариантов следящей системы:
- без контура регулирования частоты вращения электродвигателя ИМ,
- с данным контуром.

Во втором варианте в КУЧВ принимался П закон регулирования с коэффициентом пропорциональности k_pf /

Результаты представлены графическими зависимостями на рис. 17.6 и 17.7.

Из графиков следует, что в следящей системе с КРЧВЭД допустимы большие значения k_pp и, тем самым, можно получить меньшие значения Т_осс, то есть большее быстродействие системы.

 

Рис. 17.6 Зависимость коэффициента пропорциональности КУП k_pp от
                     о