1. Regulace proudu kotvy DC motoru

Transkript

1 1. Regulace proudu kotvy DC motoru Regulace proudu kotvy u stejnosměrných pohonů se užívá ze dvou zásadních důvodů: 1) zajištění časově optimálního průběhu přechodných dějů v regulaci otáček 2) možnost nastavení proudového omezení na hodnotu dovoleného proudu motoru, který u standardních motorů činí cca dvojnásobek jmenovité hodnoty. Je samozřejmě rovněž nutno vzít v úvahu i maximální proud měniče Nejjednodušší realizací těchto požadavků je možno zajistit pomocí principu podřazené regulace viz obr. 1., který je v mechatronických systémech často užíván. F R3 F R2 F R1 F S1 F S2 F S3 Obr. 1. Schéma podřazených regulačních smyček Regulační obvod se rozdělí na řadu podřazených smyček. Nadřazená regulační smyčka zadává žádanou hodnotu pro podřazenou regulační smyčku. Lze tím dosáhnout toho, že každá dílčí soustavy F S1, F S2, F S3 obsahuje zpravidla jen jednu větší časovou konstantu, která může být vykompenzována časovou konstantou regulátoru F R1, F R2, F R3 zpravidla s jednoduchým přenosem PI (proporcionálně integračním) regulátoru, který lze snadno nastavit a který je necitlivý vůči poruchovým signálům. Tímto způsobem docílíme splnění 1. požadavku - zajištění časově optimálního průběhu přechodných dějů při lineární regulaci, neboť přechodová charakteristika bude vykazovat nejkratší doby odezvy při dostatečně malé hodnotě překmitu. Jinými slovy, dynamika této regulační struktury bude velmi dobrá. Druhý požadavek zajistíme tím, že výstupy z nadřazených regulátorů můžeme omezit. V případě regulační struktury s regulací proudu bude regulační smyčka proudu tou vnitřní (s indexem 1). Nadřazený regulátor otáček F R2 bude zadávat žádanou hodnotu proudu U Iž do regulátoru proudu F R1. Tuto hodnotu můžeme libovolně omezit, čímž omezíme i velikost skutečného proudu kotvy. Tímto způsobem docílíme splnění 2. požadavku. Regulační smyčka proudu kotvy jakožto součást nadřazené regulace otáček je zobrazena na obr. 2. Zbývá dodat, že regulátor F R3 bude regulátorem polohy, který bude zadávat žádanou hodnotu otáček U ωž do regulátoru otáček F R2. Tuto hodnotu můžeme rovněž libovolně omezit, čímž omezíme i velikost skutečných otáček. 1

2 2. Regulace rychlosti DC motoru 2.1. Regulace rychlosti s podřazenou smyčkou proudu Tato regulační struktura se používá u standardních pohonů zejména středních a velkých výkonů, kde by proud kotvy motoru (krátkodobý při rozběhu či brzdění) neměl překročit cca dvojnásobek jmenovité hodnoty, což je dané přítomností komutátoru na motoru. Regulační obvod proudu je součástí rychlostní regulace. Jeho dynamické chování proto výrazně ovlivňuje průběh regulace rychlosti. Principiální schéma pohonu s rychlostní regulací a podřazenou smyčkou proudu je na obr. 2. Na vstup regulátoru rychlosti přivádíme rychlostní odchylku, tj. rozdíl žádané a skutečné hodnoty rychlosti. Rychlostní regulátor, který je nejčastěji typu PI, generuje na svém výstupu žádanou hodnotu proudu U Iž, kterou zadává do regulátoru proudu. Tuto hodnotu je možno omezit na např. výše uvedený dvojnásobek jmenovitého proudu, čímž omezíme i skutečnou hodnotu proudu. Na vstupu regulátoru proudu se od žádané hodnoty proudu odečítá hodnota proudu skutečného. Z regulátoru proudu vystupuje řídicí napětí do generátoru impulzů. Tomuto napětí je pak úměrné napětí na výstupu měniče, které je připojeno na kotvu motoru. Obecně lze vždy (tj. i u střídavých pohonů, resp. i u neelektrických pohonů) chápat výstup z regulátoru rychlosti jako žádaný moment, který na základě pohybové rovnice zajistí rozběh či přibrzdění motoru na požadovanou rychlost. Obr. 2. Struktura regulace rychlosti s podřazenou regulací proudu DC pohonu R ω R I GI TG U ωž U ωs U Iž regulátor rychlosti (otáček) regulátor proudu generátor impulzů tachogenerátor (čidlo otáček) signál (při analogové realizaci to bude napětí) žádaných otáček signál (při analogové realizaci to bude napětí) skutečných otáček signál (při analogové realizaci to bude napětí) žádaného proudu kotvy 2

3 2.2. Regulace rychlosti bez podřazené proudové smyčky Této regulace se užívá u servomechanizmů poháněných speciálními motory, (např. typu inertia, Servalco, ap.) která snesou velké proudové přetížení až 10 I n, neboť jsou buzeny permanentními magnety, takže není nutné omezení proudu. otory mají většinou již zabudováno tachodynamo. otory inertia jsou s dlouhým rotorem, na kterém je bez zubů a drážek nabandážováno vinutí, takže chlazení je velmi dobré a odpadá sycení zubů. Velká vzduchová mezera vyžaduje buzení permanentními magnety. Indukčnost kotvy činí asi 15% indukčnosti běžného motoru. Servalco motory mají kotoučový rotor z umělé hmoty. echanické časové konstanty u inertia motoru bývají cca 5 ms a pro Servalco motory cca 15 ms v rozsahu jmenovitých momentů 5 30 Nm. Tyto servomotory jsou většinou napájeny z pulzních měničů s výkonovými tranzistory, protože tyto mají lepší dynamické vlastnosti než tyristorové řízené usměrňovače. ~ U ž U s R GI TG Obr. 3. Struktura regulace rychlosti bez podřazené proudové smyčky Struktura této regulace je naznačena na obr. 3. Význam bloků a veličin je stejný jako v obr. 2. Na rozdíl od předcházejícího případu s podřazenou smyčkou proudu je výstup z regulátoru otáček přímo řídicím napětím do měniče. I v tomto případě ale zajistí tato akční veličina změnu proudu a tím i momentu při nutnosti urychlení, event. zpomalení. Při návrhu regulátoru otáček je nutno počítat s tím, že kompenzace velkých časových konstant vyžaduje nasazení PID (proporcionálně integračně derivačního) regulátoru. Vzhledem k tomu, že zpravidla neznáme přesné hodnoty časových konstant, dopravního zpoždění a zesílení v soustavě, je nutno často provádět nastavení regulátoru empiricky dle odezvy na skok řízení a skok zatížení. Nastavení konstant PID regulátoru je však obtížné vzhledem k tomu, že se vzájemně ovlivňují. Pokud bychom chtěli použít PI (proporcionálně integrační) regulátor, tento by nemohl zcela kompenzovat všechny časové konstanty soustavy a přechodový děj by se značně prodloužil. 3

4 3. Regulace polohy, dráhy, příp. úhlu natočení DC motoru 3.1 Základní požadavky, rozdělení Regulační struktura regulace polohy musí splňovat kromě samotné regulace polohy i další dva požadavky uvedené na začátku kap. 1: 1) zajištění časově optimálního průběhu přechodných dějů v regulaci otáček 2) možnost nastavení proudového omezení na hodnotu dovoleného proudu motoru, který u standardních motorů činí cca dvojnásobek jmenovité hodnoty. Je samozřejmě rovněž nutno vzít v úvahu i maximální proud měniče Realizaci těchto požadavků je zajišťováno pomocí principu podřazené regulace viz obr. 1., kde je rovněž uveden základní popis principu činnosti celé regulace polohy. Z hlediska řízení rozlišujeme polohovou regulaci se spojitou nebo skokovou změnou řídící veličiny. 3.2 Lineární regulace polohy V tomto případě se jedná o tzv. sledovací regulaci polohy, vyskytující např. u souřadnicového řízení obráběcích strojů, u těžních strojů, výtahů, radiolokačních antén, u navíječek pásových válcovacích tratí ap. Prvořadým požadavkem je zde sledovat řízení s nejmenší odchylkou, takže je možno provést linearizaci charakteristik všech členů regulačního obvodu v rozsahu těchto odchylek. Pohon v tomto případě lze řešit jako lineární regulační systém se třemi hierarchicky uspořádanými regulátory polohy R φ, rychlosti R ω a zrychlení R ε, jak je vyznačeno na obr. 4. Klasické řešení neobsahuje blok řízení. Zavedení výpočetní techniky umožňuje na základě informace o maximálních a počátečních hodnotách všech stavových veličin φ, ω, ε vypočítat tyto souřadnice pro zadanou stavovou trajektorii a tak umožnit současnou práci všech regulátorů stavových proměnných. Blok řízení zde zadává tedy stavové proměnné, tj. polohu φ, rychlost ω a zrychlení ε, které regulační pohon bude sledovat s malými odchylkami. Podřazená smyčka zrychlení slouží ke kompenzaci vlivu zatěžovacího momentu P působícího jako poruchová veličina. Tak např. spojitému řízení polohy φ s parabolickými úseky dle obr. 5 odpovídají průběhy rychlosti ω a zrychlení ε. Nadřazené smyčky polohy a rychlosti dodávají podřízeným regulačním smyčkám pouze korekční hodnoty ω ž ' a ε ž '. Skutečné hodnoty rychlosti a polohy jsou získávány ze samostatných čidel, např. tachogenerátoru a čidla polohy Čφ, kterým může být inkrementální čidlo (impulzní čidlo, čítač a D/A převodník), příp. potenciometr nebo selsyn dle požadavků na přesnost. Regulační smyčka proudu má především funkci omezovače momentu (proudu) a u speciálních servomotorů s vysokou přetížitelností není nutná, jak už bylo uvedeno v kapitole o regulaci otáček. 4

5 Obr. 4. Struktura lineární regulace polohy Obr. 5. Průběh stavových veličin při lineární regulaci polohy 5

6 3.3 Časově optimální regulace polohy Časové optimální regulace polohy využívá při regulaci maximální velikost zrychlení a tedy maximálního momentu motoru, případně maximální rychlosti motoru. Nejčastěji jsou tyto struktury využívány u pohonů se skokovou změnou řídící veličiny, jako např. pohon stavění válců, pohon pravítek ap. Jde zpravidla o regulaci z jedné klidové polohy do druhé, která má proběhnout v nejkratším čase. Časově optimální průběh přímo ovlivňuje produktivitu technologického procesu a jeho dosažení je proto velmi důležité. Odpovídající časové průběhy stavových veličin jsou znázorněny na obr. 6. Obr. 6. Průběh stavových veličin při časově optimální regulaci polohy Lineární regulátor polohy nemůže splnit požadavek časově optimální regulace (resp. může tento požadavek splnit pouze pro jednu hodnotu žádané polohy), neboť vztah mezi polohovou odchylkou ϕ a žádanou rychlostí je lineární. K zajištění požadavku časově optimální regulace pro všechny hodnoty žádané polohy je nutno realizovat nelineární, odmocninový regulátor polohy s omezením viz obr. 7., který realizuje vztahy mezi polohovou odchylkou ϕ a žádanou rychlostí dle obr. 6. v úseku pro brzdění. Tento vztah vyznačený v obr. 7 plyne z následujících rovnic pro úhlovou rychlost a polohu ω = ε max t = J max t t t t max max ωdt = εmaxtdt = tdt = J 2J ϕ = t 2 Eliminací času a přechodem na polohovou odchylku pak dostaneme příslušnou závislost. Obr. 7. Blokové schéma časově optimální regulace polohy s odmocninovým regulátorem polohy 6