1. Цель работы

Исследование влияния отрицательной и положительной обратных связей по току в системе преоб­разователь-двигатель, на статиче­ские и динамические свойства цепей формирования тока и скорости.

2. Теоретические пояснения

Высокоточное воспроизведение ИС заданного закона движения это достаточно малые ошибки воспроизведения самой регулируемой величины (положения) и ее производных (скорости и ускорения). Эффективным способом уменьшения ошибок является регулирование названых параметров по отклонению, т.е. регулирование с отрицательной обратной связью (ООС). Это уменьшает ошибки по управляющему и возмущающему воздействиям одновременно.

Использование ОС по скорости рассмотрено в предыдущей работе. Для введения ОС по второй производной от положения необходим датчик, сигнал которого пропорционален ускорению. Такие датчики - акселерометры - сложны и громоздки. В то же время ускорение можно оценить по моменту, развиваемому двигателем. Кроме ускорения момент характеризует и нагруженность в статике. Регулирование момента позволяет уменьшить ошибку управления им как в динамических, так и в установившихся режимах. Последнее очень важно, так как создает дополнительную возможность формирования требуемого вида скоростной характеристики, в том числе и нелинейной. В приводах системы ШИП-Д регулирование момента сводится к регулированию тока и реализуется достаточно просто.

В системе без обратной связи формирование тока обеспечива­ется двумя динамическими звеньями. Это преобразователь, свойства по управлению которого описываются передаточной функцией (ПФ)

(1)

и электромагнитная цепь, учитывающая свойства двигателя и преобразователя по возмущению и имеющая ПФ

. (2)

Управляющим воздействием этой цепи (сигналом задания тока), является входное напряжение U_зад пропорционального регулятора тока (РТ) с коэффициентом передачи К_рт. Возмущающим воздействием, изменяющим регулируемую величину (ток) при неизменном U_зад, является ЭДС двигателя Е_д.

Коэффициент передачи цепи тока по управляющему воздействию , по возмущающему воздействию , эквивалентная инерционность по управлению определяется как сумма инерционностей обоих звеньев Т_экв = Т_п + Т_а, по возмущению – Т_а.

При ООС по току контур регулирования замыкается через датчик тока (ДТ) и ПФ этой цепи

, (3)

где - постоянная фильтра для сглаживания пульсаций в сигнале датчика. Для суммирования сигналов задания U_зад и обратной связи U_{ос I} служит регулятор тока (РТ). Коэффициент передачи разомкнутого контура тока

. (4)

Коэффициент передачи контура тока по управляющему U_зад и возмущающему E_д воздействиям уменьшается при ООС в (1+ К_рi) раз, т.е. становится

, . (5)

Это можно интерпретировать как увеличение эквивалентного сопротивления якорной цепи в (1+К_рi) раз против R_а, рассматривать как эффект стабилизации тока, как существенное уменьшение влияния возмущения на взаимосвязь управляющего воздействия с регулируемой величиной. Другими словами, ошибка по управлению и возмущению уменьшается в (1+К_рi) раз. Во столько же, т.е. в (1+К_рi) раз увеличивается быстродействие от воздействий к току, уменьшается эквивалентная инерционность. В итоге введение ООС по току существенно улучшает управляемость двигателя в отношении развиваемого им момента в статике и динамике, снижает ошибку по управлению и возмущению относительно момента, повышает быстродействие управления моментом. Это создает предпосылки для быстрого и с малыми ошибками регулирования других координат привода - частоты вращения и положения вала (перемещения).

Величину К_рi нетрудно сделать существенно больше единицы. Проблем с устойчивостью контура и привода в целом при этом обычно не возникает. Причин здесь две. Во-первых, контур имеет порядок не выше третьего при одной большой Т_а и двух малых Т_п и Т_i постоянных времени, поэтому достаточно устойчив. Во-вторых, большое перерегулирование и даже высокая колебательность этого контура не ухудшают свойств привода, так как колебания тока имеют высокую частоту и хорошо сглаживаются интегрирующим звеном

(6)

электромеханической цепи с большой по сравне­нию с периодом этих колебаний постоянной времени T_м привода.

Нагрузочные свойства привода относительно скорости с ООС по току вытекают из свойства замкнутого контура стаби­лизировать ток. Анализируя поведение привода по скорости, следует иметь в виду, что сигнал задания U_зад преобразуется сначала в ток, потом скорость формируется как выходной сигнал звена с ПФ (6), стоящего после контура тока. На входе этого звена - разность токов двигателя и сил статического сопротивления. При этом важен факт стабилизации первого. Это означает, что коэффициент передачи цепи формирования тока к изменениям ЭДС двигателя (зависит скорости) стала существенно, в (1+К_рi) раз меньше, чем была до замыкания ОС. Отсюда и слабое влияние на ток (момент) двигателя изменений скорости, в том числе и от изменений нагрузки. При стабилизации тока двигателя с увеличением нагрузки сигнал на входе звена, формирующего скорость, быстро уменьшается. Итог: очень мягкая скоростная характеристика; существенно большая инерционность процессов изменения скорости. Отмеченные особенности наглядно описываются структурной схемой и соответствующими передаточными функциями привода с ООС по току.

Управляемость привода относительно скорости при введении ООС по току остается такой же, как и без обратной связи. Экспериментальное подтверждение этого факта затруднительно из-за существенного смягчения нагрузочной характеристики (коэффициент передачи по управлению оценивается, как известно, при неизменной нагрузке).

Экспериментальные исследования свойств цепи (контура) фор­мирования тока имеют особенности, связанные с тем, что возмущением здесь является ЭДС двигателя. Как известно, при исследовании свойств по возмущению необходимо исключить управление, т.е. не менять последнее. Воздействие формируется механическим стопорением двигателя. Его величина будет

. (7)

Предварительно следует уменьшить подаваемое на двигатель напряжение, чтобы ток при стопорении не превышал номинальный.

Положительная обратная связь (ПОС) по току придает приводу статические и динамические свойства, противоположные описанным. Эти свойства, как и при ООС, хорошо видны из передаточных функций замкнутой системы по управлению и возмущению. Величина (1 + К_рi) заменяется на (1 - К_рi)

СТОПОРЕНИЕ двигателя при ПОС по току НЕДОПУСТИМО!

Используется ПОС, как простое средство стабилизации скорости, поэтому и свойства систем с ПОС рассматриваются в основном относительно скорости.

Эффект от ПОС, аналогично ООС, можно интерпретировать как изменение эквивалентного R_а^* в (1 - К_рi) раз относительно R_а. Нетрудно видеть, что R_а^* при |К_рi| < 1 уменьшается, при к_рi = 1 равно нулю, а при К_рi > 1 становится отрицательным. Как известно, увеличение К_рi до единицы соответствует увеличению жесткости электромеханической характеристики, К_рi = 1 - ее абсолютной, а К_рi > 1- отрицательной жесткости.

Последнее означает увеличение скорости привода с ростом нагрузки, что можно пояснить так. Введение ПОС по току в системе управления скоростью эквивалентно регулированию по возмущению. При |к_рi|<1 влияние возмущения на скорость компенсируется частично, при к_рi=1 полностью, а при к_рi >1 происходит перекомпенсация. Эффект обеспечивается за счет увеличения сигнала управления ШИП с увеличением нагрузки. В результате внешняя характеристика ШИП при неизменном сигнале задания становится более жесткой, абсолютно жесткой, потом приобретает отрицательный наклон, описываемый

. (8)

При К_рi=1 получим |-R_п| = R_а, при перекомпенсации - |-R_п| > R_а.

Практически ПОС используется для стабилизации скорости в системе "генератор - двигатель" и в других случаях, где постоянная времени управляемого источника питания оказывается существенно больше всех остальных. Лишь такой привод сохраняет устойчивость при ПОС по току.

Для экспериментальных исследований систем с ПОС по току на лабораторном стенде следует увеличить Т_п до единиц секунд.