Способ управления электромеханическим приводом машин

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ МАШИНЫ(71) Заявитель Белорусская ордена Трудового Красного Знамени государственная политехническая академия(73) Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия(57) Способ управления электромеханическим приводом машины, при котором измеряют угол поворота главного приводного вала машины, крутящий момент на нем, задают скорость вращения главного приводного вала функцией от угла его поворота, исходя из допустимых динамических нагрузок, путем подачи напряжения на приводной двигатель, при этом указанное напряжение изменяют по закону где Мпс- приведенный момент сил технологического сопротивления п - приведенный момент инерции- угол поворота главного приводного вала машины- сопротивление якорной цепи двигателя Фиг. 8- угловая скорость вращения главного приводного вала, отличающийся тем, что скорость 2245 1 вращения главного приводного вала определяют из выражения 2- суммарный момент на главном приводном валу машины- приведенный крутящий момент на главном приводном валу машины- фиксированное значение угла поворота главного приводного вала машины- значение приведенного момента инерции машины при фиксированном значении угла поворота о- фиксированное значение угловой скорости главного приводного вала, при этом о измеряют при фиксированном значении угла поворота главного приводного вала машины.(56) 1. А.с. СССР 1713766, МПК В 23 К 37/04, 02 5/06, 1992. Изобретение относится к области машиностроения, в частности к управлению приводом машины. Известен способ управления приводом машины, при котором измеряют угол поворота главного приводного вала машины, крутящий момент на нем, задают закон изменения угловой скорости главного приводного вала машины, исходя из допустимых динамических нагрузок на главный вал машины, путем подачи напряжения на приводной двигатель, указанное напряжение изменяют по закону- приведенный момент сил технологического сопротивления- угол поворота вала двигателя- сопротивление якорной цепи двигателя- скорость вращения вала двигателя, при этом скорость вращения вала двигателя определяется выражением- скорость вращения, определяемая заданным законом функции от угла поворота вала двигателя- значение приведенного момента инерции при некотором фиксированном значении- угловая скорость звена приведения (главного приводного вала, машины) при некотором значении обобщенной координаты, соответствующем значению 1. Недостатком известного способа является то, что не учитывается влияние сил технологического сопротивления при определении искомой функции закона изменения скорости вращения главного приводного вала машины. Заявляемое изобретение направлено на решение следующей задачи - уменьшение динамической нагруженности на главном приводном валу машины путем обеспечения заданной функции изменения суммарного момента сил на нем. Поставленная задача решается тем, что в способе управления электромеханическим приводом машины,при котором измеряют угол поворота главного приводного вала машины, крутящий момент на нем, задают в нескольких точках скорость вращения главного приводного вала в функции от угла его поворота, исходя из допустимых динамических нагрузок на главный вал машины, путем подачи напряжения на приводной двигатель, при этом указанное напряжение изменяют по закону- приведенный момент сил технологического сопротивления- угол поворота главного приводного вала (обобщенная координата)- сопротивление входной цепи двигателя- скорость вращения главного приводного вала (обобщенная скорость),скорость вращения главного приводного вала определяется выражением- суммарный момент на главном приводном валу машины- приведенный крутящий момент (движущий момент) на главном приводном валу машины- фиксированное значение угла поворота главного приводного вала машины о- значение приведенного момента инерции машины при фиксированном значении уг 0 ла поворота о 0- фиксированное значение угловой скорости 0 главного приводного вала, при этом о измеряют при фиксированном значении угла поворота главного приводного вала машины. Уравнение движения машины с одной степенью подвижности можно записать следующим образом- приведенный движущий момент (момент развиваемый приводным двигателем)- приведенный момент сил технологического сопротивления сил веса и сил трения- постоянная составляющая приведенного момента инерции- переменная составляющая приведенного момента инерции- производная от приведенного момента по обобщенной координате главного приводного вала машины). Суммарный момент, приложенный к главному приводному валу машины определяется(2). 2 В случае, когда приведенный момент инерции п является постоянным, второе слагаемое в правой части уравнения (2) отсутствует, т.е. Тогда динамическая нагруженность машины полностью определяется выбранным законом движения( ) т.к.( ) , определяется, а затем, величина и закон изменения которого определяет Задавая закондинамическую нагруженность главного приводного вала машины. В случае, когда п не является величиной постоянной, динамическая нагруженность машины определяется не только законом движения, но и массовыми и кинематическими характеристиками передаточных и исполнительных механизмов, положенных в основу машины. Другими словами, в правой части уравнения (2) начинает работать второе слагаемое, влияние которого, при больших значениях , может быть существенным. В этом случае, для обеспечения заданной функции изменения суммарного момента на главном приводном валу машины, закон движения( ) может быть определен путем решения уравнения (2) относительно . Однако удобнее использовать теорему об изменении кинематической энергии 2 2 где 0- начальное и текущее значения угловой скорости 0 и п - начальное и текущее значения приведенного момента инерции Выражение (5) позволяет определить закон движения машины , обеспечивающий заданный закон изменения. В качестве примера рассмотрим машину с переменным п Функцию п представим как сумму Пусть необходимо обеспечить закон изменения, при 0(7), т.е. такое изменение, которое соответствовало бы движению машины при отсутствии переменной составляющей, при некотором заданном законе 3 . Уравнение (7) запишем в виде Таким образом, при движении машины по закону (8) суммарный момент на главном приводном валу машины будет изменяться по. закону (7), при этом исключается влияние переменной составляющейна динамическую нагруженность машины. Напряжение, подаваемое на приводной двигатель постоянного тока, определяется из условия равенства мощностей, которое имеет видили 2/,где- напряжение, подаваемое на электродвигатель- ток, потребляемый двигателем- сопротивление якорной цепи двигателя,Отсюда Технический результат заключается в том, что закон изменения напряжения, подаваемого на двигатель постоянного тока, учитывает динамические характеристики машины, в частности изменения приведенного момента инерции, при использовании в ней механизмов с переменными передаточными отношениями. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена схема машины с электромеханическим приводом, включающим исполнительный механизм (кривошипно-ползунный) с подвижными звеньями 1 - кривошип, 2 - шатун, 3 - ползун, 4 - коробка скоростей, 5 - приводной двигатель. На фигуре 2 представлены графики функцийи. На фигуре 3 представлена графически функцияп/. 2245 1 На фиг. 4 представлен график изменения скоростиот нуля до ср главного приводного вала машины. 2 и, определяющие суммарное значение привеНа фигуре 5 представлены зависимости,2 денного моментадвижущих сил в функции углаповорота главного приводного вала машины. На фи гуре 6 приведена зависимость, полученная как сумма составляющих, изображенных на фигуре 5. На фиг. 7 представлена структурная схема системы управления, включающая вычислитель 1, регулятор 2,двигатель 3, датчика 4 углаповорота главного приводного вала 1, датчиков 5, 6 скорости 2 и крутящего момента 3 соответственно, источник постоянного напряжения 7 и пульт управления 8. На фиг. 8 представлена структурная схема вычислителя 1 (фиг.7), который обеспечивает определение массово-геометрических характеристик ( п ), силовых (и) и скоростныххарактеристик, а также напряжениядля двигателя. Взаимосвязь силовых, скоростных и массово-геометрических характеристик машины может быть выражена уравнением В уравнении (9) принято 0,и определяет кинетическую энергию всех масс подвижных звеньев механизмов машины, имеющих достоянное передаточное отношение- учитывает изменение кинетической энергии подвижных звеньев механизмов машины и является функцией обобщенной координаты, т. е. Для рассматриваемого примера значение приведенного момента энергии, определяемое из равенства кинетических энергий, имеет вид где - момент инерции ротора электродвигателя Индексы в приведенных уравнениях соответствуют обозначениям звеньев на фиг. 1. В последнем уравнении Производная п по обобщенной координате имеет вид Как видно, уравнения (10) иесть функции обобщенной координаты и отражают внутреннюю динамику машины (фиг. 1). Пусть требуется разогнать машину, изменив ее обобщенную скорость от нуля до ср (средняя скорость установившегося движения) по линейному закону(12), где р - угол разгона (угол, за который происходит изменениеот нуля до ср). График зависимости (12), представленный на фиг .4, позволяет построить зависимости отдельных составляющих формулы (9), которые дают возможность видеть раздельное влияние массово-геометрических и кинематических характеристик машины на динамическую нагруженность приводного вала. На фиг.5 показаны зависимости отдельных составляющих, входящих в уравнение (9), на фиг.6 - зависимостьот(т.е. сумма составляющих, изображенных на фиг. 6) за время разгона по закону, соответствующему выражению (12). Из графиков фиг. 5 видно, что наилучшее влияние на неравномерность движения оказывают функции( ) и( ) . Рассматриваемый пример указывает на то, что закон изменения скорости в процессе разгона должен выбираться с учетом функций п и, таким образом, чтобы значение крутящего момента на приводном валу машины не выходи ло за пределы некоторых значенийи. При этом выбор закона измененияв функциидолжен учитывать массово-геометрические характеристики исполнительных и передаточных механизмов машины. Этот учет сводится к тому, чтобы увеличение(уменьшение) значенийобусловленное изменением п икомпенсировалось уменьшением (увеличением)за счет измененияи . Предлагаемый способ управления приводом машины может быть реализован с помощью системы управления, включающей вычислительное устройство. На фиг.7 представлена структурная схема системы управления, реализующая предлагаемый способ управления приводом машины. Система управления состоит из вычислителя 1, регулятора 2, двигателя 3 постоянного тока, датчика 4 угла поворота главного приводного вала 1, датчика 5 угловой скорости главного приводного вала 2 , датчика 6 крутящего момента на главном приводном валу 3 , источника 7 постоянного напряжения, пульта 8 управления. Вычислитель 1 на основании сигналов 1 , 2 и 3 формирует сигнал , пропорциональный величине напряжения , подаваемого от источника 7 постоянного напряжения через регулятор 2 на. двигатель 3 постоянного тока таким образом, что где- сигнал управления, вырабатываемый вычислителем 1- коэффициент пропорциональности (усиления)- напряжение, подаваемое на приводной двигатель 3. Датчики 1 -, 2 -5, 3 -6 механически связаны с главным приводным валом машины и вырабатывают сигналы, пропорциональные углу поворота, угловой скорости и крутящему моменту соответственно. Пульт 8 управления предназначен для включения-отключения привода машины. На фиг. 8 представлена структурная схема вычислителя 1. В блоках 9, 10,вычисляются значения приведенного момента инерции П, суммарного момента на приводном валу и приведенного момента сил технологического сопротивления соответственно как функции угла поворотаприводного вала машины. Это возможно, так как функции п 1 и 3 являются известными для конкретной машины и технологической операции. Функция 2 является заданной, значение которой необходимо поддерживать с помощью системы управления. В блоке 12 фиксируется начальное значение угла 0 поворота приводного вала машины, а в блоках 13 и 14 значения приведенного момента инерции 0 и угловой скорости 0, соответствующие значению угла . В блоке 15 вычисляется значение интеграла от функциипри изменении угла поворота от 0 до( текущее значение угла поворота приводного вала). В блоке 16 вычисляется значение угловой скорости по формуле (5), т.е. обеспечивающее заданное значение суммарного моментана приводном валу машины. 2245 1 В блоке 17 вычисляется разностьмежду вычисленным в блоке 10 заданным значением суммарного моментаи реальным значением момента , измеренным с помощью датчика 3 -6, т.е.-Если значениебольше нуля, т.е. заданное значение моментапревышает реальное значение момента, то значениенеобходимо уменьшить, еслименьше нуля, то есть, то значениенеобходимо увеличить для того, чтобы обеспечить равенство. Поэтому в блоке 18 вычисляется новое значение заданного суммарного момента - с учетом разности, по формуле--(13) В правой части (13) записана алгебраическая разность междуи. В блоке 19 вычисляется значение приведенного движущего момента, которое должно обеспечиватьд ся двигателем 3 постоянного тока. В блоке 20 вычисляется значение И управляющего сигнала по Система управления работает следующим образом. С пульта 8 управления напряжение от источника 7 постоянного напряжения на двигатель 3 постоянного тока можно подавать либо через регулятор 2 либо напрямую. В последнем случае на двигатель 3 поступает постоянное напряжение, т.е. привод машины обеспечивает постоянное значение угловой скоростивращения главного приводного вала машины, т.е. система управления, обеспечивающая поддержание заданного суммарного моментаотключена. Для включения системы управления напряжением на двигатель 3 постоянного тока подается через регулятор 2, а в вычислитель 1 подается напряжение пит питания. В этом случае сигнал с датчика 1 -4 поступает в вычислитель 1. На основании этого сигнала в вычислителе 1 фиксируются значения,0 и 0 ( с использованием сигнала с датчика 2 -5) и вычисляется значение . В том случае, когда система управления включается при значении угловой скорости 0 0, т.е. когда система управления функционирует постоянно с рабочей машиной, датчик 2 -5 можно не использовать, а значение угловой скоростив блоке 16 можно вычислить по формуле По вычисленным значениями Этот сигнал поступает на вход регулятора 2, который непосредственно управляет напряжением , подаваемым на приводной двигатель 3. Таким образом на двигатель 3 подается напряжение обеспечивающее заданный суммарный моментна главном приводном валу машины. Обратная связь по крутящему моменту позволяет стабилизировать реальный моментна уровне заданного. Использование предлагаемого способа управления приводом машины обеспечивает отработку заданной функции суммарного приведенного моментана главном приводном валу машины. Это позволяет получить необходимые динамические характеристики машины, одной из которых является динамическая нагруженность главного приводного вала. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.