Управления электроприводов

Cамостоятельная работа № 15

Тема занятия: «Элементы электроники для управления

электромеханическими устройствами»

Учебные вопросы лекции

1. Аналоговые и дискретные устройства электроники систем управления электроприводов

2. Устройства силовой электроники для управления электромеханическими устройствами.

Литература

1. Немцов М.В. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк. 2007, с. 534 – 544.

2. Москаленко В.В. Системы авоматизированного управления электроприводами: Учебник. – М.: ИНФРА-М, 2004, с. 22 – 29.

Аналоговые и дискретные устройства электроники систем

управления электроприводов

1.1. Аналоговые элементы управления электропривода

Силовая часть замкнутых схем ЭП строится на основе системы «преобразователь–двигатель», в которой основным управленческим воздействием на ЭД является напряжение для двигателей постоянного тока и частота и напряжение для асинхронных и синхронных двигателей.

Для ЭП с двигателями постоянного тока в качестве силовых пре­образователей применяются управляемые выпрямители и импульсные регуляторы напряжения.

Для ЭП с двигателями переменного тока в качестве силовых преобразователей используют инверторы, преобразователи частоты и регуляторы напряжения.

Характерный признак замкнутых ЭП – использование в них бес­контактных полупроводниковых элементов и устройств. Релейно-контактная аппаратура применяется в них для цепей коммутации питающего напряже­ния, защит, блокировок и сигнализации.

Для выработки законов управления двигателем, который реализуется силовым преобразователем, замкнутые ЭП содержат определенный набор управляющих элементов. В их состав входят:

- задающие (программные) устройства, определяющие уровень и характер изменения регулируемой координаты;

- датчики регулируемых координат и технологических параметров, дающие информацию о ходе технологического процесса и работе самого ЭП;

- регуляторы и функциональные преобразователи, вырабатывающие управление воздействием на основании сигналов задающих воздействий и датчиков координат и параметров;

- согласующие элементы, позволяющие соединить в единую схему все указанные элементы за счёт согласования их входных и выходных сигналов по роду тока, уровням и виду сигналов и т.д.

Основным признаком подразделения устройств управления является характер преобразования сигналов, по которому они делятся на аналоговые и дискретные.

Для аналоговых устройств характерна непрерывная функциональная зависимость между входным и выходным сигналами. Примерами таких устройств являются управляемые выпрямители и преобразователи частоты.

Дискретное устройство может иметь только два уровня выходного сигнала – нулевой и максимальный, который появляется или исчезает при достижении входным сигналом определенного значения.

Ранее задающие, регулирующие, согласующие и функциональные устройства, а также датчики координат выпускались отдельными сериями, “россыпью”, что затрудняло проектирование, наладку и эксплуатацию ЭП.

Прогрессивным явлением в проектировании ЭП явилась разработка унифицированной блочной системы регулирования (УБСР), включающей в себя следующие ветви:

- УБСР–А – аналоговая на обычных элементах;

- УБСР–АИ – аналоговая на интегральных микросхемах (ИМС);

- УБСР–Д – дискретная на обычных элементах;

- УБСР–ДИ – дискретная на ИМС.

Аналоговая ветвь УБСР–А состоит из набора транзисторных усилите­лей постоянного тока, командных и задающих устройств, функциональных преобразователей, датчиков координат и блоков питания. В ней принят унифицированный сигнал U =±24 B, I =±10 мА.

Серия УБСР–АИ позволила улучшить технические характеристики схем управления ЭП. Блоки УБСР–АИразмещаются на сменных ячейках со штепсельными разъёмами и имеют печатный монтаж. Здесь принят унифи-цированный сигнал U =±10 B, I =±5 мА, позволяющий выполнять соединения и с дискретными элементами УБСР–ДИ [10].

Основным элементом аналоговой системы является операционный усилитель (ОУ), представляющий собой усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления (5000…100000), охваченный ООС, как это показано на рис.15.1, где Z _{вх 1} , … Z _{вх i} - комплексные активно-емкостные входные сопротивления; Z _ос- комплексное сопротивление цепи ООС.

ОУ осуществляет преобразо­вание входных сигналов U _{вх i} в соответствии с выражением

В простейшем случае, когда на вход ОУ поступает один сигнал U _вх, а Z _ос =R _ос, Z _вх =R ₁, имеет место следующее преобразование входного сигнала:

,

)

	.

При включении во входные цепи и цепи обратной связи наряду с резисторами конденсаторов ОУ позволяют осуществлять и другие разно­образные преобразования входных сигналов, необходимых для получения нужных управляющих воздействий в ЭП. Такие схемы получили название регуляторов. В зависимости от выполняемых ими функциональных пре­образований входных сигналов в выходные различают пропорциональные, интегральные, апериодические и другие типы регуляторов.

Пропорциональный П-регулятор (рис. 15.2, а) осуществляет масштабное (пропорциональное) преобразование входного сигнала с постоянным коэффициентом k = R _ос /R ₁; вид этого преобразования

U _вых = kU _вх,

где k = R _ос /R ₁ - параметр регулятора.

Переходная функция имеет вид, представленный на рис. 15.2, б

В интегральном И-регуляторе (рис. 15.3, а) в цепь ОС ОУ включают конденсатор С _ос, а во входную цепь – резистор R ₁. Параметр регулятора T=R ₁ С _ос , вид реализуемого преобразования

а переходная функция имеет вид, представленный на рис. 15.3, б.

,

а переходная функция у Д–регулятора – электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности (рис. 15.4, б).

где k=R _ос /R ₁; T=R _ос С _{ос .}.

,

где k=R _ос /R ₁; T=R _ос С _ос.

Пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциаль­ные и пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы (ПИ-, ПД- и ПИД-регуляторы) осуществляют комплексное преобразование сигна-лов, что требуется при реализации сложных законов управления ЭП.

1.2. Дискретные элементы систем управления. Микропроцессорное

управление электроприводом

Комплексная автоматизация с использованием средств вычислитель­ной техники и микропроцессорного управления позволяет во всех сферах деятельности существенно повысить производительность труда и качество продукции. Цифровые СУ ЭП обеспечивают: высокую точность, надёжность и быстродействие работы, малое энергопотребление, удобство совмещения с ЭВМ при создании единых автоматизированных систем управления (АСУ).

УБСР-ДИ имеет более 30 разновидностей широко известных устройств: триггеры, счетчики, делители частоты, распредели­тели импуль­сов, дешифраторы, регистры, запоминающие устройства (ЗУ), аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) и др.[10]. Важнейшим представителем этой ветви является микропроцессор (МП).

Микропроцессор – программно-управляемое устройство, осущест­вляющее обработку цифровой информации и построенное на одной или нескольких больших ИМС (БИС). МП – элемент управления с гибким алго­ритмом работы, который определяется закладываемой в его память програм­мой. Обычно в состав МП входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистровое ЗУ (РЗУ), шина данных (ШД), шина адресов (ША) и шина управления (ШУ).

АЛУ предназначено для выполнения арифметических действий и логических операций над данными в виде двоичных чисел. В операции участ­вуют два оператора: один из них находится в специальном регистре – аккумуляторе, а другой в регистрах РЗУ или памяти МП. РЗУ содержит несколько регистров общего назначения, регистров специального назначения и счётчик команд. УУ обеспечивает выработку сигналов управления работой блоков МП. В состав УУ входит регистр команд, в котором фиксируется вы­полняемая в данный момент команда. Последовательность команд, обеспечивающих реализацию заданного алгоритма обработки информации, образует программу.

Для выполнения функции управления схема МП должна быть допол­нена рядом блоков. В общем случае в состав микропроцессорной СУ наряду с МП могут входить (рис.15.7): оперативное (ОЗУ), постоянное (ПЗУ) и внешнее (ВЗУ) ЗУ, интерфейсное устройство (ИУ), устройства сопряжения (УС) с внешними объектами (т.е. АЦП и ЦАП), устройства ввода-вывода информации (УВВ), общая шина ОШ (включающая ШД, ШУ и ША).

ОЗУ и ПЗУ служат для размещения подлежащих обработке данных и программы, в соответствии с которой эта обработка должна вестись. К ВЗУ относятся накопители информации на гибких и жёстких магнитных дисках (ГМД и ЖМД). ИУ обеспечивает требуемое взаимодействие микропроцес­сорной системы с УВВ, ВЗУ и датчиками. УС обеспечивают связь МПС с различными внешними (периферийными) устройствами, например, УС2 – связь с датчиками (Д), УС3 и УС4 – буферные регистры памяти, а УС5 – согласование данной микропроцессор­ной системы с другими. УВВ необходимы для обеспечения взаимодействия микропроцессорной системы и человека в удобной для него форме.

При рассмотрении ЭП, приводящего в действие исполнительный механизм, необходимо, прежде всего, выявить соответствие механических характеристик двигателя характеристике исполнительного механизма (ИМ).

Следовательно, для правильного подбора ЭД к исполнительному механизму, с целью экономичной эксплуатации ЭП, необходимо знать моменты, действующие на вал ЭД со стороны ИМ, и их зависимость от частоты вращения.

2. Устройства силовой электроники для управления