Система управления электроприводом механизма горизонтального перемещения крана-штабелера

Условие ориентации для установившегося режима можно записать в следующем виде:

 

 

 

 

где:

 – угловая скорость  вращения вектора потокосцепления  ротора;

 – угол поворота  вектора потокосцепления ротора  относительно неподвижной оси  ;

– проекции вектора потокосцепления  ротора на оси 0xи 0yсоответственно;

 – модуль вектора  потокосцепления ротора.

графическая интерпретация  ориентации системы координат показана на рис. 3.2.2.

 

 

Графическая интерпретация ориентации системы координат

 

Рис. 3.2.2

В качестве модели преобразователя  частоты используется идеализированная модель ПЧ с ШИМ, которая описывается  простым усилительным звеном.

С учетом всех преобразований и ориентации системы координат  математическая модель силовой части может быть записана в следующем виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

- сигналы задания на составляющие вектора напряжения статора;

 – коэффициент усиления  преобразователя частоты;

 

 – скорость вращения  вектора потокосцепления ротора  относительно ротора;

 – момент статической  нагрузки;

 – проекции вектора  тока статора на оси 0xи 0yсоответственно;

 – угол поворота ротора  относительно статора;

Согласно математической модели структурная схема силовой  части имеет вид:

Структурная схема модели силовой части

 

 

Рис. 3.2.3

 

Полученную структурную  схему можно условно разделить  на 4 блока:

ЗТС – звено токов статора. Это двумерное звено, состоящее из двух параллельных апериодических звеньев и охваченных нелинейными перекрестными связями.

ЗПР – звено потокосцепления ротора. Тоже представляет собой двумерное звено, состоящее из двух параллельных апериодических звеньев и охваченных нелинейными перекрестными связями.

ЗМ– звено электромагнитногомомента. Представляет собой усилительное звено, на вход которого подается разность перемножения токов и потокосцепления.

ЗМД – звено механического  движения. Является интегрирующим звеном, описывающее механическое движение.

Из модели силовой части  видно, что объект управления является нелинейной динамической системой и содержит перекрестные связи. В качестве нелинейности выступают множительные звенья. В объекте присутствуют инерционные связи входных и выходных координат.

Реакция объекта управления на ступенчатое воздействие и  на наброс нагрузки показаны на рис. 3.2.4.

Реакция объекта управления на ступенчатое  воздействие и на наброс нагрузки

Рис. 3.2.4

Механическая характеристика в динамике показана рис. 3.2.5.

 

Динамическая  механическая характеристика объекта  управления

Рис. 3.2.5

Для получения статической  механической характеристики необходимо преобразовать математическую модель силовой части. Для этого оператор , который отвечает за дифференцирование в операторной форме записи, приравниваем к нулю.

Статическая механическая характеристика показана на рисунке 3.2.6.

 

Статическая механическая характеристика объекта управления

Рис. 3.2.6

Из характеристик представленных выше видно, что прямой пуск асинхронного двигателя сопровождается существенными  колебаниями момента вовремя пуска. Объясняется это возникновением свободных составляющих тока, что приводит к появлению пиков момента, значительно превышающих значения по статической характеристике.

К моменту перехода на устойчивый участок статической характеристики колебания, возникшие при пуске  двигателя, затухают. Дальнейшее нарастание скорости двигателя протекает в  соответствии линеаризованной механической характеристикой двигателя.

Таким образом, электромагнитная инерция асинхронного двигателя  существенно ухудшает характер процесса пуска, вызывая большие и многократные повторяющиеся пики нагрузки, что  ускоряет износ двигателя и механического  оборудования.

 

4. Синтез векторной  системы управления с ориентацией  поля ротора в системе координат с управляемой скоростью

1. Функциональная схема векторной системы управления с косвенной ориентацией

Векторная САР частотно-регулируемого  электропривода строится на основе следующих  принципов.

1. Управление электроприводом осуществляется на основе принципов подчиненного регулирования с последовательной коррекцией и реализуется последовательно подчиненными локальными системами регулирования векторных и скалярных переменных.

2. Регулирование осуществляется во вращающейся системе координат , с применением косвенной ориентации.

3. Выбран вариант архитектуры системы с управляемым скольжением, что исключает установку датчиков потока двигателя.

Общая функциональная схема  САР, построенная на основании данных положений, показана на рис. 4.1.1

Общая функциональная схема векторной  системы управления с косвенной  ориентацией

 

Рис. 4.1.1

Назначение элементов:

ДТ1, ДТ2, ДТ3 –датчики фазных токов, предназначены для измерения фазных токов статора.

ДС – датчик скорости, предназначен для определения угловой  скорости вращения ротора двигателя.

ПКН –преобразователь координат напряжения. С помощью ПКН осуществляется прямое преобразование напряжений статора.

ПКТ – преобразователь  координат тока. С помощью ПКТ  осуществляется обратное преобразование токов статора.

БК – блок компенсации,  осуществляет компенсацию внутренних перекрестных обратных связей, то есть компенсирует влияние ЭДС вращения двигателя.

РС – регулятор скорости, формирует задание на момент двигателя;

РМ, РПС – регулятор момента и регулятор потокосцепления ротора. С помощью регулятора потокосцепления и момента соответствующие величины преобразуются в заданные значения тока статора и скольжения двигателя. Также регулятор момента ориентирует объект управления.

РТ – двумерный регулятор  тока статора, предназначен для регулирования  составляющих тока статора .

ЗИ – задатчик интенсивности, нужен для ограничения переменных.

Состав системы управления.

В целом система управления построена по принципу подчиненного регулирования координат и включает в себя следующие САР:

1. Внутренней САР является двумерная комбинированная замкнутая САР составляющих тока статора . По заданию САР тока подчинена САР потокосцепления ротора.
2. САР потокосцепления ротора. Строится как разомкнутая система с регулирование по возмущению.
3. САР электромагнитного момента двигателя. Является разомкнутой системой автоматического регулирования с регулированием по возмущению.
4. Внешней САР является замкнутая САР скорости с регулированием по отклонению.

2. Синтез регуляторов

Для синтеза регуляторов  использую модель объекта, описанную  в пункте 3. 2.

Синтез передаточных функций  регуляторов в современных системах электропривода производится на основе принципа подчиненного регулирования  координат системы. Основные особенности  систем подчиненного регулирования  с последовательной коррекцией следующие.

1. Объект управления в такой системе представляется в виде последовательной цепи типовых звеньев.

2. Количество регулируемых координат выбирается равным числу типовых звеньев.

3. Количество регуляторов равно количеству регулируемых координат привода. Все регуляторы соединяются между собой последовательно. На вход каждого последующего подается сигнал с выхода предыдущего регулятора, что является заданием, и отрицательная обратная связь по той переменной, которая регулируется данным регулятором. Таким образом, в системе образуются охватывающие последовательно друг друга контуры регулирования от внутреннего до внешнего (подчиненность регулирования), то есть число контуров регулирования равно числу регулируемых координат.

4. Ограничение каждой координаты достигается ограничением выхода предыдущего регулятора.

5. На выходе регулирующей части системы обычно устанавливается фильтр, определяющий полосу пропускания. Постоянная времени этого фильтра является основным параметром, определяющим свойства системы (быстродействие, точность, помехозащищенность).

6. Передаточные функции  регуляторов выбираются по методу  последовательной коррекции с  компенсацией передаточной функции  звена объекта и введением  передаточной функции стандартного  вида для замкнутого контура.

Для того чтобы использовать типовую методику построения регуляторов необходимо линеаризовать модель силовой части. Для этой цели в САР вводится специальный блок компенсации. Блок компенсации призван для компенсации внутренних связей, которые мешают качественному регулированию.

Необходимо скомпенсировать  перекрестные связи и влияние ЭДС вращения в следующих уравнениях:

 

 

Составляющие уравнений  и описывают перекрестные связи в модели силовой части.

Для компенсации внутренних связей необходимо, чтобы БК формировал выходные сигналы с учетом этих связей. Таким образом, алгоритм блока компенсации  имеет вид:

 

 

где

- выходные сигналы с  блока компенсации, поступающие  на вход ПЧ, и являются задающими  сигналами.

- сигналы задания, поступающие  с выхода регулятора токов  на вход блока компенсации.

 – сигналы компенсации,  учитывают перекрестные связи  и влияние ЭДС двигателя.

 

 

Параметры для блока компенсации  берутся непосредственно из модели силовой части. Но следует отметить, что ввиду малости  примем

 

Для того чтобы не производить  сложных расчетов потокосцепления  ротора и не устанавливать датчики магнитного потока было принято допущение, что

 

Таким образом, если считать, что блок компенсации полностью  компенсирует внутренние связи, то математическая модель объекта записывается следующим  образом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно этой модели структурная  схема силовой части имеет  следующий вид.

 

Структурная схема модели силовой  части с учетом компенсации перекрестных связей

 

 

Рис. 4.2

Следует отметить, что полученная схема аналогична структурной схеме ДПТ с независимым возбуждением. Также выделяется два канала: канал управления потоком и канал управления током.

Для установившегося режима потокосцепление ротора определяется как:

 

Так как , то говорят что потокообразующая составляющая тока статора (аналог тока возбуждения для ДПТ)

Если задать ток , то будет создан режим постоянства потокосцепления ротора . Тогда в этом случае электромагнитный момент будет пропорционален составляющей тока статора по оси 0y. Тогда является моменто-образующей составляющей тока статора.

Таким образом для качественного  регулирования электромагнитного  момента необходимо решить следующие  задачи при синтезе системы управления:

1. Необходимо обеспечить ориентацию системы координат;
2. Создать режим постоянства потокосцепления ротора ;
3. Обеспечить качественное регулирование токами и ;

Выбор некомпенсируемой постоянной времени .

Некомпенсируемая  постоянная времени  оказывает существенное влияние на внутренний контур тока, а именно на его быстродействие. В системах подчиненного регулирование быстродействие всей системы определяется быстродействие внутреннего контура, отсюда следует, что  определяет быстродействие всей системы в целом.

С точки зрения быстродействия желательно брать наименьшую величину . Однако необходимо учитывать то, что неоправданное увеличение быстродействия ведет к снижению помехозащищённости системы, так как увеличивается полоса пропускания.

По аналогии с системами ТП-Д, где некомпенсируемая постоянная времени определяется частотой коммутации тиристоров (300 Гц) и имеет значение выбирается некомпенсируемая постоянная временидля системы ПЧ-АД. Так как частота коммутации транзисторов в ПЧ составляет 2 кГц и на основании рекомендаций в дальнейших расчетах величина некомпенсируемой постоянной времени принята Такая величина обеспечивает необходимое быстродействие системы и не сильно влияет на снижение помехоустойчивости системы.

 

1. Синтез регулятора преобразованных токов статора

Оба канала преобразованных  токов автономны и идентичны, поэтому синтез будет произведен только для одного канала, так как регуляторы получаются абсолютно одинаковыми.

Выделим из модели силовой части звено объекта и составим замкнутую САР тока.

Общая структурная схема САР тока статора

 

Рис. 4.2.1.1

ЗО – звено объекта;

Ф – фильтр с некомпенсируемой постоянной времени ;

Передаточная функция  звена объекта:

 

Передаточная функция  регулятора тока:

 

где

 – постоянная времени  регулятора тока;

 – настройка на  модульный оптимум;

Передаточная функция  разомкнутого контура тока:

 

Передаточная функция  замкнутого контура тока:

 

Таким образом, получил типовую  передаточную функцию замкнутого контура.