9 Требования, предъявляемые к мехатронной системе
Для качественного выполнения подъёма, спуска и перемещения грузов электропривод крановых механизмов должен удовлетворять следующим основным требованиям:
Регулирование скорости привода должно осуществляться в диапазоне 10:1 для обеспечения диапазона скоростей перемещения грузов различной инерционности и парусности;
Жёсткость механических и регулировочных характеристик привода должна обеспечивать постоянство скоростей независимо от груза;
Ускорение тележки должно быть ограничено 0,25 м/с2 для предотвращения пробуксовки ходовых колёс;
Длительность переходных процессов должна быть минимальна для обеспечения высокой производительности крана;
Реверсирование электропривода и обеспечение его работы как в двигательном режиме, так и в тормозном режиме.
10 Разработка системы управления мехатронной системой
Скалярное управление. Особенность скалярного управления заключается в его распространенности, а область применения связана с приводами насосов и вентиляторов. Кроме этого, частотные преобразователи со скалярным методом управления используют там, где важно поддерживать определенный технологический параметр. Им может быть, например, давление в трубопроводе. Изменение амплитуды, а также частоты питающего напряжения выступает в качестве основного принципа, на котором основывается данный метод. При этом используется закон U/f. Наибольший диапазон для регулирования скорости составляет 1:10. Дополнительные особенности скалярного метода заключаются в свойственной ему легкости при реализации. Существует также и недостаток, который заключается в том, что нет возможности точно регулировать скорость вращения вала. Еще одна особенность – на валу двигателя частотный преобразователь со скалярным управлением не дает возможности контролировать момент.
Второй метод, используемый в частотных преобразователях – векторный. Это такой метод управления синхронными и асинхронными двигателями, при котором формируются не только гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивается управление магнитным потоком ротора,а именно, моментом на валу электродвигателя. Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах.
Системы векторного управления разделяются на два класса – это бездатчиковые и с обратной связью. Область применения позволяет определить применение определенного метода. Применение бездатчиковых систем возможно, когда скорость изменяется не больше чем 1:100, а точность поддержания составляет не больше чем ±0,5 %. При аналогичных показателях, составляющих 1:1000 и ±0,01 % соответственно принято использовать системы с обратной связью.
Преимуществами векторного метода управления является быстрота реакции относительно изменения нагрузки, а в области малых частот вращение двигателя характеризуется плавностью, отсутствием рывков. Внимание привлекает обеспечение на валу при условии нулевой скорости номинального момента, если имеется датчик скорости. Регулировка скорости выполняется при достижении высокой точности. Все эти преимущества становятся важными на практике.
Целесообразный способ управления двигателем зависит от технических требований к системе электропривода. В электроприводах с ограниченным диапазоном регулирования и отсутствием динамических режимов работы применяется частотно-параметрический способ, при котором регулируется частота и действующее значение выходного напряжения ПЧН в соответствии заданной скоростью. В электроприводах с большим диапазоном регулирования скорости и высокими требованиями к динамическим характеристикам применяется регулирование мгновенных значений трехфазной системы питающих напряжений и токов с использованием векторного принципа регулирования. В электроприводах для управления механизмов с вентиляторным характером нагрузки и для механизмов с постоянной нагрузкой с малым диапазоном регулирования при отсутствии необходимости особой точности контролирования переходных процессов или задания им специфической формы целесообразно применение скалярного способа управления. Так как диапазон скорости привода невелик, то управление может быть достигнуто достаточно простым и наиболее широко распространенным методом управления: скалярным управлением.
При неизменном напряжении питания U1 по мере изменения частоты f1 будет также изменяться и магнитный поток двигателя Ф, поскольку поток пропорционален U1/f1.
Так при снижении частоты f1 и неизменном U1 поток возрастет. Это приведет к насыщению стали двигателя и как следствие к резкому увеличению тока и его перегреву. Увеличение f1 вызовет снижение потока и соответственно допустимого момента АД. Поэтому для сохранения высоких энергетических показателей регулирования необходимо с регулированием f1 одновременно в функции частоты и нагрузки двигателя изменять и напряжение питания АД.
Выбор соотношения между частотой и напряжением питания АД основан на сохранении постоянства его перегрузочной способности м, равной Мк/Мс, при работе на разных скоростях. Поскольку нагрузка при перемещении тележки не меняется от скорости, изменение напряжения должно отвечать условию:
Формирование требуемых статических и динамических свойств асинхронного регулируемого электропривода возможно лишь в замкнутой системе регулирования его координат. Одной из основных схем скалярного управления является система ПЧ-АД с обратной связью по току статора, которая показана на рисунке 7.
Рисунок 7 – Функциональная схема системы ПЧ-АД с обратной связью по току статора
ФТ – функциональный преобразователь тока. На основе измеренных токов статора, формируются выходные сигналы I1 и I1a, пропорциональные соответственно модулю абсолютного значения тока статора и активной составляющей этого тока. Наиболее часто в скалярных системах частотного управления для простоты технических решений вместо активной составляющей тока статора на функциональные устройства А1 и А2 подается сигнал действующего значения тока статора I1.
В системе с подобными обратными связями по току возможна реализация механических характеристик АД с повышенной перегрузочной способностью по моменту и жесткостью, близкой к естественной в диапазоне регулирования скорости вниз от номинальной при постоянной статической нагрузке до 7 : 1.
Для защиты ПЧ и двигателя от перегрузок по току используется устройство токовой отсечки, реализованное на блоках А3 и А4.
При воздействии только на выходное напряжение преобразователя, при условии, что регулятор А3 имеет интегральный канал регулирования, за счет отрицательной обратной связи по току преобразователь из источника напряжения переходит в режим источника
тока. Тогда при постоянстве тока статора АД, задаваемого со стороны ПЧ независимо от установленной со стороны управляющего сигнала uу частоты, действие регулятора А3 за счет ее большего коэффициента обратной связи, чем устройства А1, будет сопровождаться уменьшением потока и момента двигателя, вызывая эффект опрокидывания механической характеристики АД.
Подобный режим работы отсечки с воздействием на выходное напряжение ПЧ частоты практически ограничен и используется лишь совместно с одновременным воздействием на выходную частоту преобразователя.
За счет поступающего на сумматор 1 сигнала отрицательной обратной связи по току статора (более сильной, чем со стороны устройства А2) совместно со стабилизацией тока осуществляется снижение его частоты и, соответственно, скорости идеального холостого хода АД. Тем самым обеспечивается постоянство магнитного потока, абсолютного скольжения и в итоге момента двигателя.
Для осуществления IR-компенсации задание напряжения увеличивается на величину, равную I1*R1. Это позволяет точнее поддерживать отношение U1/f1 для индуктивной составляющей обмотки статора постоянным. Для этого K1 (рисунок 7) определяется:
где Kот – коэффициент трансформации значения тока при измерении.
Для осуществления компенсации скольжения задание частоты и напряжения, поскольку в рабочем диапазоне жесткость механической и электромеханической статорной характеристик практически равны, можно использовать значение тока статора. Коэффициент K2 тогда будет определяться так:
