close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY5610

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 5610
(13) C1
(19)
7
(51) H 02P 5/06
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ МАШИНЫ
(21) Номер заявки: a 19990968
(22) 1999.10.28
(46) 2003.12.30
(71) Заявители: Вериго Евгений Борисович; Мурашко Виталий Николаевич
(BY)
(72) Авторы: Вериго Евгений Борисович;
Мурашко Виталий Николаевич (BY)
(73) Патентообладатели: Вериго Евгений
Борисович; Мурашко Виталий Николаевич (BY)
BY 5610 C1
(57)
Способ управления приводом машины путем формирования закона изменения напряжения, подаваемого на приводной двигатель постоянного тока в процессе работы привода
машины, отличающийся тем, что определяют фактическое значение момента M на валу
приводного двигателя в соответствии с величиной тока цепи якоря приводного двигателя,
устанавливают значение приведенного момента сил сопротивления Mс на валу приводного двигателя по заранее определенной зависимости от режима работы машины, определяют значение углового ускорения ε вращения вала приводного двигателя, на основе полученных значений вычисляют фактическое значение приведенного момента инерции J
привода машины по формуле:
J = (M – Mс)/ε,
в соответствии с которым изменяют значение настроечного коэффициента ас регулятора
скорости по следующей зависимости:
ас = асном Jном f/J,
где асном - номинальное значение настроечного коэффициента регулятора скорости;
Jном - номинальное значение приведенного момента инерции привода машины;
f - параметр настройки, учитывающий неточность определения значения приведенного момента инерции машины,
с учетом которой формируют закон изменения напряжения, подаваемого на приводной
двигатель.
Фиг. 1
BY 5610 C1
(56)
SU 1713766 A1, 1992.
RU 2063866 C1, 1996.
RU 2057002 C1, 1996.
EP 0120198 A1, 1984.
EP 0262600 A1, 1988.
JP 04053689 A, 1992.
JP 04201190 A, 1992.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при автоматизации технологических процессов, например, в приводах сочленений промышленных роботов, приводах технологического оборудования с изменяющимся в процессе движения
моментом инерции.
Известен способ управления манипулятором промышленного робота, описанный в [1],
в котором используют два контроллера для управления приводами сочленений манипулятора, первый из них вырабатывает управляющие сигналы на основе динамической модели
манипулятора, второй контроллер включает в себя адаптивный ПИД (пропорционально
интегрально дифференциальный) - регулятор, вырабатывающий сигнал управления на основе сигналов обратной связи с датчиков манипулятора, при этом формируемые контроллерами управляющие сигналы взаимодополняют друг друга и совместно используются
для управления приводами сочленений манипулятора.
Недостатком известного способа является сложность системы управления приводами
сочленений манипулятора, необходимость использования двух контроллеров в системе
управления и потребность в значительных вычислительных ресурсах на расчет динамической модели манипулятора при управлении в реальном времени.
Наиболее близким техническим решением является способ управления приводом машины, при котором посредством системы управления формируют закон изменения напряжения подаваемого на приводной двигатель постоянного тока при разгоне машины в
зависимости от приведенного момента сил технологического сопротивления, приведенного
момента инерции, сопротивления якорной цепи двигателя и скорости вращения вала [2].
Недостатком известного способа является то, что в нем не предусматривается определение значения приведенного момента инерции в процессе работы машины, значение которого может значительно изменяться, что имеет место, например, при управлении приводами сочленений манипуляторов промышленных роботов. Это приводит к появлению
колебаний в механической части машин, что снижает их точность при выполнении заданных технологических операций, кроме того возникают дополнительные динамические нагрузки на приводной вал машины.
Задача, решаемая изобретением, - снижение динамической нагруженности на приводной вал и повышение точностных характеристик работы машины за счет снижения уровня
колебательности механической части системы.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления приводом машины, заключающемся в том, что путем формирования закона изменения напряжения, подаваемого на приводной двигатель постоянного тока в процессе работы привода машины, определяют фактическое значение момента М на валу приводного двигателя в соответствии с
величиной тока цепи якоря приводного двигателя, устанавливают значение приведенного
момента сил сопротивления Мс на валу приводного двигателя по заранее определенной
зависимости от режима работы машины, определяют значения углового ускорения ε вращения вала приводного двигателя, на основе полученных значений вычисляют фактическое значение приведенного момента инерции J привода машины по формуле:
2
BY 5610 C1
J=
(M − M c )
ε
,
в соответствии с которым изменяют значение настроечного коэффициента ас регулятора
скорости по следующей зависимости:
ac =
a c.ном J ном f
,
J
где ас.ном - номинальное значение настроечного коэффициента регулятора скорости;
Jном - номинальное значение приведенного момента инерции привода машины;
f - параметр настройки, учитывающий неточность определения значения приведенного момента инерции машины,
с учетом которой формируют закон изменения напряжения, подаваемого на приводной
двигатель.
Сущность способа управления приводом машины поясняется чертежами, где на фиг. 1
представлена структурная схема управления приводным двигателем постоянного тока,
фиг. 2 - структурная схема контура скорости привода машины инвариантная относительно
приведенного момента инерции, фиг. 3 - график зависимости демпфирования от коэффициента соотношения моментов инерции.
Структурная схема управления приводом машины, представленная на фиг. 1, обеспечивает настройку контура скорости системы инвариантно относительно приведенного
момента инерции. Структурная схема подчиненного регулирования включает три контура
регулирования - контур тока, контур скорости и контур положения, обязательными из которых в системе являются контур тока и скорости. Структурная схема включает в себя:
блок управления 1, регулятор скорости 2, регулятор тока 3, двигатель постоянного тока 4,
функциональный преобразователь 5, дифференциатор 6, низкочастотные фильтры 7 и 8,
делитель 9, функциональный преобразователь 10 и сумматоры 11.
В структурной схеме на фиг. 1 присутствуют следующие сигналы: U3 - заданное значение положения вала, ω3 - заданное значение частоты вращения вала, ϕ - фактическое
значение положения вала, ω - фактическое значение частоты вращения вала, i - фактическое значение тока двигателя, ε - значение углового ускорения вала, Мс - приведенный
момент сил сопротивления, М - фактическое значение момента на валу, J - значение приведенного момента инерции, ас - задание значения настроечного коэффициента регулятора
скорости.
Настройку контуров системы подчиненного регулирования производят на технический оптимум [3], тогда желаемая передаточная соответствующего внутреннего контура
Wu(p) выбирается следующего вида:
1
K0
Wu (p) =
,
aTµ p(Tµ p + 1)
где а - настроечный коэффициент регулятора соответствующего контура;
Тµ - постоянная времени;
К0 - коэффициент обратной связи соответствующего контура.
Для двигателя постоянного тока регулятор скорости в случае настройки на технический оптимум имеет передаточную функцию вида [3]:
K P.C = WP.C. (p) =
K O.T KФФ М
,
К О.С R Я. ¦ а с а Т Т µ
(1)
где КО.Т. - коэффициент обратной связи по току;
КО.С. - коэффициент обратной связи по скорости;
К - конструктивный параметр двигателя постоянного тока;
RЯ.¦ - суммарное активное сопротивление якоря двигателя постоянного тока;
3
BY 5610 C1
Ф - поток возбуждения двигателя постоянного тока;
ас - настроечный коэффициент регулятора скорости;
ат - настроечный коэффициент регулятора тока;
Тм - механическая постоянная времени двигателя постоянного тока, пропорциональная значению приведенного момента инерции J;
Тµ - компенсируемая постоянная времени.
Из (1) видно, что регулятор скорости в случае настройки системы на технический оптимум представляет собой безинерционное звено с коэффициентом передачи КР.С [3].
Контур скорости настраивают на технический оптимум, принимая за расчетное значение приведенного момента инерции значение номинального приведенного момента инерции Jном. При такой настройке системы, при постоянном значении настроечного коэффициента регулятора скорости ас.ном, в случае изменения приведенного момента инерции, не
будет обеспечиваться оптимальная настройка системы, такая, что значение времени регулирования и уровень колебательности механической части системы оставались бы оптимальными. Для обеспечения инвариантности контура скорости относительно значения
приведенного момента инерции значение настроечного коэффициента контура скорости ас
изменяют по следующей зависимости:
ac =
a c.ном J ном f
,
J
(2)
где J - фактическое значение приведенного момента инерции;
ас - фактическое значение настроечного коэффициента регулятора скорости;
f - параметр настройки, учитывающий неточность определения значения момента
инерции, принимаемый равным больше 1 для высокого значения демпфирования колебаний механической части системы.
Введение параметра настройки f при формировании значения настроечного коэффициента регулятора скорости имеет следующую цель. В случае настройки контуров системы на значение приведенного момента инерции большего, чем реальное, система получает дополнительную колебательность, что недопустимо. В случае настройки контуров
системы на значение приведенного момента инерции меньшего, чем реальное, то время
регулирования системы увеличится и переходный процесс станет более плавным. Поэтому целесообразно заранее настраивать контур скорости системы на значение приведенного момента инерции меньшее, чем расчетное, что позволит обеспечивать оптимальное
демпфирование колебаний при неточности в определении значения приведенного момента инерции.
Структурная схема контура скорости с регулятором инвариантным относительно приведенного момента инерции машины показана на фиг. 2. На схеме использованы обозначения: Wк.m. - передаточная функция контура тока, J Кр.с. - передаточная функция регулятора скорости инвариантная относительно приведенного момента инерции и ω3 - заданное
значение частоты вращения вала.
Для оценки колебательности динамической системы, в соответствии с [3], рассматривают двухмассовую модель системы с упругими связями. Колебательные свойства двухмассовой системы характеризуются двумя параметрами: частотой свободных колебаний
Ω12 и коэффициентом соотношения моментов инерции γ. Значение Ω12 определяется как:
Ω12 = C12
(J 1 + J 2 )
,
J1J 2
где С12 - коэффициент упругости;
J1 - момент инерции первого элемента двухмассовой модели (приводного двигателя);
J2 - момент инерции второго элемента двухмассовой системы (механизма машины).
4
BY 5610 C1
Значение γ определяют как:
γ=
J1 + J 2
.
J1
Характеристическое уравнение двухмассовой системы в упрощенном варианте может
быть представлено в виде [3]:
γTM2
2
Ω12
где TM =
p3 +
γ 2
p + γTM p + 1 = 0,
2
Ω12
(3)
J1
- электромеханическая постоянная времени приводного двигателя постоянβЭ
ного тока;
βэ - электромеханическая жесткость [3].
Из [3] известно, что рассматриваемая динамическая система с характеристическим
уравнением (3) способствует демпфированию колебаний, возникающих в механической
части. Оптимальное демпфирование в системе может быть достигнуто при соответствующем подборе параметров T M 1 , γ и Ω12. Демпфирование λ находится в зависимости от значения коэффициента соотношения моментов инерции, как показано на фиг. 3. Из графика
на фиг. 3 видно, что при значении γ меньше 8 уровень демпфирования колебаний в системе становится низким. В связи с этим, при значениях γ меньше 8 параметр настройки f из
(2) увеличивают, тем самым уменьшая расчетное значение приведенного момента инерции, на которое будет настраиваться контур скорости. Это позволит повысить уровень
демпфирования колебаний в механической части системы.
Основное уравнение движения вала приводного двигателя записывают как:
(4)
M=Jε + Mc;
где М - момент, развиваемый приводным двигателем;
J - приведенный момент инерции на валу приводного двигателя;
Мс - приведенный момент сил сопротивления;
ε - угловое ускорение вала двигателя.
Заранее определяют приведенный момент сил сопротивления на валу двигателя Мс на
основе экспериментальных данных или известных механических характеристик машины.
На основе значения тока якоря приводного двигателя определяют значение момента на
приводном валу двигателя как:
M = kФi ,
(5)
где Ф - поток возбуждения двигателя постоянного тока;
i - ток якоря двигателя постоянного тока;
k - конструктивный параметр двигателя постоянного тока [3].
Значение углового ускорения ε вала приводного двигателя определяют, например, путем дифференцирования сигнала обратной связи по скорости с вала приводного двигателя. Значение приведенного момента инерции находят из (4) на основе значений ε, М и Мс:
J=
(M − M c )
ε
(6)
.
Значение приведенного момента инерции можно определить из (6), но так как значение скорости вращения вала не остается постоянным при любом режиме и способе управления, то всегда присутствуют отклонения скорости от заданного номинального значения.
Точность определения значения углового ускорения будет определяться способом его определения.
Сущность способа управления приводом машины заключается в следующем. Настраивают контуры системы на технический оптимум для достижения оптимальных характеристик работы машины [3]. Определяют угловое ускорение вала ε, например, путем
5
BY 5610 C1
дифференцирования сигнала частоты вращения вала, определяют на основе (5) фактический момент М на валу приводного двигателя, вычитают из значения М заранее определенное значение приведенного момента сил сопротивления Мс. Пропускают сигналы М Мс и ε через низкочастотные фильтры для устранения шумов и выделения приемлемых
уровней сигналов, определяют на основе (6) значение приведенного момента инерции
машины J. В соответствии с найденным значением приведенного момента инерции J определяют значение настроечного коэффициента регулятора скорости, в соответствии с (2)
и учетом значений параметра настройки f, обеспечивающего высокое значение демпфирование колебаний в системе.
Структурная схема управления приводом машины работает следующим образом. Сигналы обратной связи по частоте вращения вала приводного двигателя ω (фиг. 1) поступают на дифференциатор ДФ, на выходе которого формируется сигнал углового ускорения
вала ε. Сигнал тока якоря двигателя i поступает на функциональный преобразователь
ФП1, где в соответствии (5) формируется значение момента М на валу приводного двигателя. Из значения М вычитают заранее рассчитанное значение приведенного момента сил
сопротивления Мс, после чего их разница поступает на низкочастотный фильтр Ф1. Сигнал углового ускорения вала приводного двигателя поступает на фильтр Ф2 для устранения помех и выделения приемлемого уровня сигнала. После прохождения фильтров сигналы М - Мс и ε поступают на делитель Дл, на выходе которого формируется значение
приведенного момента инерции J, поступающее на функциональный преобразователь
ФП2, где вырабатывается значение настроечного коэффициента регулятора скорости ас в
соответствии с (2), обеспечивающее высокое значение демпфирования колебаний в механической части системы.
Использование рассмотренного способа управления приводом машины позволяет снизить динамические нагрузки на механическую часть манипулятора и повысить точность
выполнения заданных операций, за счет снижения уровня колебательности системы.
Таким образом, предложенный способ управления приводом машины позволяет решить поставленную задачу, заключающуюся в снижении динамических нагрузок на механическую часть машины и повышении точности выполнения заданных операций, за счет
того что путем формирования закона изменения напряжения, подаваемого на приводной
двигатель постоянного тока в процессе работы привода машины, определяют фактическое
значение момента М на валу приводного двигателя в соответствии с величиной тока цепи
якоря приводного двигателя, устанавливают значение приведенного момента сил сопротивления Мс на валу приводного двигателя по заранее определенной зависимости от режима работы машины, определяют значения углового ускорения ε вращения вала приводного двигателя, на основе полученных значений вычисляют фактическое значение
приведенного момента инерции J привода машины по формуле:
J=
(M − M c )
ε
,
в соответствии с которым изменяют значение настроечного коэффициента ас регулятора
скорости по следующей зависимости:
ac =
a c.ном J ном f
,
J
где ас.ном - номинальное значение настроечного коэффициента регулятора скорости;
Jном - номинальное значение приведенного момента инерции привода машины;
f - параметр настройки, учитывающий неточность определения значения приведенного момента инерции машины,
с учетом которой формируют закон изменения напряжения, подаваемого на приводной
двигатель.
6
BY 5610 C1
Источники информации:
1. Патент США 5049796, МПК G 05B 19/42, 1991.
2. А.с. СССР 1713766, МПК В 23К 37/04, Н 02Р 5/06, 1992.
3. Сафонов Ю.М. Электроприводы промышленных роботов. - М.: Энергоатомиздат,
1990. - С. 82.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
177 Кб
Теги
патент, by5610
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа