Частотно-регулируемый следящий электропривод мехатронной системы с программируемыми выходными параметрами.

Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Щербаков Е.В., Погорелов И.В. (Ростов-на-Дону)

Технический прогресс в различных областях промышленного производства невозможен без широкого применения управляемых мехатронных систем (МС) с использованием частотно-регулируемых электроприводов на базе короткозамкнутых 3-х фазных асинхронных двигателей (АД) с питанием от автономных инверторов напряжения (АИН), тока (АИТ). АИН современных частотно-регулируемых приводов выполняются на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах (СПП) - запираемых тиристорах (GTO) либо биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Изменение выходного напряжения АИН обычно осуществляется двумя способами: амплитудное регулирование (АР) напряжения управляемого источника питания (УИП) или широтно-импульсное (ШИМ) регулирование. Появление мощных СПП ( А, В) и достаточно быстродействующих микропроцессорных средств управления позволило /1,2/ повысить основные показатели (энергетические, массогабаритные и эксплуатационные) асинхронных частотно-регулируемых приводов, не уступающих, а по некоторым показателям превосходящих электроприводы постоянного тока для общепромышленного применения /1,2/. Однако использование частотно-регулируемого электропривода затруднено в позиционных и следящих электроприводах (СЭП) мехатронных систем, в частности, приводах промышленных роботов (ПР) и манипуляторов из-за пульсаций момента на валу и скорости АД вследствие несинусоидальности тока статора и ограниченного диапазона регулирования скорости при низких частотах функционирования АИН (АИТ). Известны способы уменьшения величины пульсаций скорости, момента на валу АД при регулировании частоты преобразования АИН, изменении алгоритма переключения СПП АИН и напряжения питания звена постоянного тока /2,3/. Совместить указанные способы регулирования величины пульсаций можно только при раздельном управлении и схемотехническом решении, обеспечивающем как раздельное так и совокупное регулирование выходных параметров, значения которых взаимозависимы и определяются аналитически. Известно /3,4,5/, что идеализированный закон изменения напряжения и частоты , где - фактические значения напряжения, частоты, момента АД; - номинальные значения указанных величин) при постоянстве перегрузочной способности АД выполнить достаточно сложно без учета влияния потерь напряжения на обмотке статора на поток намагничивания и насыщенность магнитной системы АД при диапазонах регулирования скорости более 10:1. Конкретный закон частотного регулирования определяется видом, характером изменения нагрузки и при моменте нагружения на валу АД может быть записан в виде , а при выражением.

Для расширения диапазона регулирования скорости () следящего электропривода (СЭП) и уменьшения величины пульсаций момента, скорости необходимы дополнительные возможности системы автоматического регулирования (САР) и АИН по формированию синусоидального напряжения статора АД. При организации оптимального управления АД появляются некоторые вычислительные трудности из-за сложности связи между регулируемыми параметрами и реализацией алгоритма функционирования ключей АИН в режиме реального времени. В тоже время существует возможность увеличения кратности пускового момента в 2,5-4,5 раза при повышении напряжения АИН в 1,58-2 раза по отношению к номинальному напряжению на обмотках АД /4/. Однако реализовать указанную эффективность оптимального управления можно только при соответствующих энергетических возможностях силовых элементов АИН, УИП инвертора.

На рис.1 приведена схема частотно-регулируемого электропривода мехатронной системы повторно-кратковременного режима работы (в частности, промышленного робота ПР) мощностью до 1кВт, позволяющая раздельно формировать целесообразные выходные параметры и управлять АД при независимом задании потока статора, минимальных потерях и расширенном диапазоне регулирования скорости (момента) с пониженными пульсациями скорости.

Рис.1

В схеме управление приводом осуществляется от микро-ЭВМ (микроконтроллера). В качестве управляющих параметров используются регулируемое напряжение питания АИН, длительность управляющих импульсов T1 и время паузы T2 (комбинация широтно-импульсного и частотного управления). Задающее напряжение Uз от микро-ЭВМ поступает на управляемый источник питания УИП, который осуществляет преобразование переменного напряжения сети Uc с частотой fc в постоянное регулируемое напряжение питания АИН. Управляющие сигналы T1 и T2 задают параметры импульсов, формируемых генератором импульсов ГИ. Для запуска формирователя 3-х фазной последовательности управляющих импульсов (ФТП) и открытия оптронных тиристоров VS1...VS6 АИН импульсы fз с выхода микро-ЭВМ поступают на модулятор К. Устройство согласования (УС) осуществляет согласование уровней сигналов с выхода ФТП (уровни ТТЛ) с уровнями сигналов управления тиристоров VS1...VS6. Коммутацию тиристоров фаз АИН осуществляет модулятор К на базе биполярного транзистора. Запирание тиристоров происходит вследствие уменьшения тока нагрузки ниже величины тока удержания тиристора при функционировании модулятора по прерыванию тока источника УИП. Выбор силового транзистора модулятора осуществляется по предельным значениям характерных электрических параметров (максимально допустимому напряжению перехода коллектор-эмиттер ключа К, току нагрузки, максимально допустимой рассеиваемой мощности коллектора, частоте переключения), определяемых мощностью преобразования и коммутационными процессами в силовом контуре.

Традиционные обратные связи по току двигателя (), скорости вращения , перемещению рабочего органа МС () используются и формируются соответствующими датчиками тока ДТ, скорости ЧДС (частотный датчик скорости) и положения ДП.

В разработанной схеме осуществляется двукратное преобразование электроэнергии в силовом канале с программированием функционирования ключевых элементов и формированием важнейших выходных параметров в системе: УИП АИН АД, в совокупности влияющих на выходные характеристики СЭП. Отличительной частью в построении схемы АИН является отсутствие коммутирующих контуров и реакторов, исключающих образование LC-контуров, параметры которых зависят от режима работы АД, частоты f преобразователя и вызывают изменение динамических характеристик АИН. Раздельное управление напряжением U питания АИН, частотой f, моментом M и возможность реализации оптимального управления при различных значениях пусковых моментов (), скольжения (S) выгодно отличают также приведенную схему от известных решений /6/, предопределяют ее применимость в позиционных и следящих частотно-регулируемых электроприводах МС, в частности, промышленных роботах и манипуляторах с системами подчиненного регулирования и возможностью программирования выходных параметров с учетом нагрузочных характеристик повторно-кратковременного режима работы МС.

Литература

1. Микропроцессорное управление электроприводами станков с ЧПУ/ Э.Л. Тихомиров и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 320с.

2. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор)/ Л.Х. Дацковский, Б.И. Абрамов и др.// Электротехника 1996. - №10. - С. 18-28.

3. Сандлер А.С., Гусяцкий Ю.М., Затрубщиков Н.Б. Пульсации момента и скорости асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора тока. //Тр. МЭИ. М., 1976. С. - 5-8.

4. Затрубщиков Н.Б., Комков В.А. Повышение равномерности вращения частотно-регулируемого электропривода на базе инвертора тока с дискретным контуром стабилизации скорости./ Динамика и функционирование электромеханических систем. Сб. научн. трудов. Тула. ТПИ. 1989, 83с.

5. Петров Ю.П. Оптимальное управление электроприводом с учетом ограничений по нагреву. Л., Энергия, 1971.

6. Gabriel R. and Leonard W. Microprocessor control of induction motor// Proc. IEEE Int. Semicond. Power Conv. 1982. 385.