Анализ логарифмической амплитудно-фазовой

17.2. АНАЛИЗ ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕСКОРРЕКТИРОВАННОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА

Для построения ЛАФЧХ исходного привода используем выражение (330) передаточной функции разомкнутой системы, полученное на этапе статического расчета привода:

Заменой p = j? получим выражение для частотной характеристики, на основании которого строим асимптотическую ЛАЧХ и ЛФЧХ.

Асимптотическая ЛАЧХ представляет собой ломаную линию, имеющую точки излома в сопрягающих частотах, определяемых постоянными времени звеньев. Более точные ЛАЧХ строят путем введения в области сопрягающих частот поправок, соответствующих виду составляющих звеньев привода.

ЛФЧХ представляет собой плавную кривую, полученную графическим сложением фазовых характеристик отдельных звеньев привода.

Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ выполним в следующем порядке.

1. Определяем и наносим на ось абсцисс сопрягающие частоты ?i= 1/Ti и ?j = 1/Tj.

2. Строим низкочастотную асимптоту ЛАЧХ в виде прямой линии, проходящей через точку с координатами ? = 1 рад/с, 20lg? дБ до первой частоты излома с наклоном -20? дБ/дек. Условимся наклоны +20 дБ/дек на графике обозначать цифрой 1 в кружочке, +40 дБ/дек — цифрой 2 в кружочке, + 60 дБ/дек — цифрой 3 в кружочке, —20 дБ/дек — цифрой —1 в кружочке и т. д.

3. Строим последующие участки ЛАЧХ с учетом типов динамических звеньев и соответствующих им наклонов в частотах сопряжения.

4. Строим ЛФЧХ привода в соответствии с уравнением

Для удобства построения примем масштабы: по оси ординат для ЛАЧХ 20 мм — 20 дБ; для ЛФЧХ 1 мм — 2°; по оси абсцисс для ЛАЧХ и ЛФЧХ 50 мм — 1 дек. ЛФЧХ можно строить, пользуясь выражением (341) или применяя шаблоны, представленные на рис. 168.

В некоторых случаях исследование приводов проводят методом обратных ЛАФЧХ, построение которых аналогично построению прямых характеристик.

По параметрам ЛАФЧХ исходного разомкнутого привода можно судить об устойчивости замкнутого СП. Для выполнения требований, предъявляемых к приводам, ЛАФЧХ разомкнутого привода должны обеспечивать достаточные запасы устойчивости по фазе ? и амплитуде m.

Используя номограмму Солодовникова (см. рис. 166), по заданному значению ? с помощью графика ? = f(Рmax) можно определить максимум вещественной частотной характеристики Рmax, а с помощью графика b = f (Рmax) и по найденному значению Рmax — время регулирования tp по выражению (334). По протяженности h среднечастотной асимптоты ЛАЧХ можно рассчитать показатель колебательности M = (h + 1)/(h— 1).

Параметры ЛАЧХ позволяют определить добротность привода по скорости и ускорению и рассчитать значение установившейся динамической погрешности по выражению (327) при движении исполнительной оси с постоянной скоростью и ускорением или по выражению (339) при отработке СП гармонического управляющего сигнала.

Если при этом одно из требований, предъявляемых к приводу по точности, устойчивости или показателям качества, не выполняется, возникает необходимость введения КУ и построения ЖЛАФЧХ.





Пример 9. Построить ЛАФЧХ для разомкнутого привода, передаточная функция которого имеет вид



Подставив p = j?, получим



Для построения ЛАФЧХ определим значения сопрягающих частот ?1 = 1/Тм = 75 рад/с, ?2 = l/Ta = 200 рад/с, ?3 = l/Ty = 104 рад/с и отметим их на оси частот (рис. 169). Ha частоте ? = 1 рад/с отложим значение 20lg?, равное 20lg150 = 43,5 дБ. Через полученную точку A проведем низкочастотную асимптоту AM ЛАЧХ интегрирующего звена с наклоном -20 дБ/дек до пересечения с вертикалью, проведенной через первую частоту сопряжения ?1= 75 рад/с. В точке M ЛАЧХ претерпевает излом вниз на 20 дБ/дек, определяемый апериодическим звеном с постоянной времени Тм. Результирующая ЛАЧХ с наклоном -40 дБ/дек пойдет до пересечения в точке с вертикалью, проведенной через вторую частоту сопряжения ?2 = 200 рад/с. Начиная с точки N, ЛАЧХ системы имеет наклон -60 дБ/дек, так как на этой частоте дополнительный наклон дает апериодическое звено с постоянной Та. Начиная с частоты ?3 = 1000 рад/с, результирующая ЛАЧХ претерпевает дополнительный излом вниз от вступления в точке K апериодического звена с постоянной ТУ и определяется суммарным наклоном -80 дБ/дек.

Для построения ЛФЧХ воспользуемся уравнением



Таким образом, при заданных параметрах привод имеет запас устойчивости по фазе ? = 6°, а по амплитуде m = -3 дБ (см. рис. 169) и, следовательно, не обладает необходимой устойчивостью. Поэтому его ЛАФЧХ нужно скорректировать путем введения КУ.

Назад | Содержание

| Вперед

Анализ нескорректированного привода

9.1. АНАЛИЗ НЕСКОРРЕКТИРОВАННОГО ПРИВОДА

Теоретическое исследование СП начнем с определения зависимости между углом ? поворота выходного вала и воздействиями, прикладываемыми к СП (рис. 106, a). В общем случае эти воздействия делят на управляющие, приложенные к входу СП в виде угла поворота ? входного вала или напряжения U??, и возмущающие, воспринимаемые силовой частью привода в виде момента возмущения МВ.

Рассмотрим функциональную схему приборного СП (рис. 106, а). Отклонение исполнительной оси от задающей (? = ? — ?) воспринимается и преобразуется в электрический сигнал двумя потенциометрами RC и RE. Напряжение рассогласования U? усиливается усилителем A и подается на двигатель М. Двигатель через редуктор q вращает нагрузку H и корпус потенциометра RE до согласованного положения.

Ha основании функциональной схемы СП составим структурную схему, в которой каждый функциональный элемент представим своей передаточной функцией. Управляющее устройство, выполненное на потенциометрической трехпроводной измерительной схеме, представим в виде элемента сравнения и усилительного звена с коэффициентом передачи k?. Усилитель A сигнала рассогласования тоже может быть представлен усилительным звеном с коэффициентом передачи kУ в случае реализации его на полупроводниковых элементах.

Электродвигатель M с учетом запаздывания в изменении скорости (Тм) и момента (TЭ) согласно рис. 28 может быть представлен последовательным соединением усилительного, колебательного и интегрирующего звеньев. Кроме того, к силовой части привода прикладывается возмущающее воздействие М? через звено с передаточной функцией

W (p) = [l/(Fi)] (TЭp + 1).

Рис. 106. Схемы СП с пропорциональным управлением

Редуктор, связывающий вал двигателя с исполнительным валом СП, представим в виде усилительного звена с передаточным коэффициентом kp.

В соответствии с полученной схемой (рис. 106, б) составим систему линеаризованных дифференциальных уравнений.

1. Уравнение элемента сравнений

где ? — погрешность рассогласования.

2. Уравнение преобразователя



где U? — напряжение погрешности; k? — коэффициент пропорциональности, характеризующий крутизну преобразователя.

3. Уравнение усилителя напряжения A



где UУ — напряжение на выходе усилителя; kУ — коэффициент усиления усилителя.

4. Уравнение исполнительного двигателя M в соответствии с (40)



где kД — коэффициент передачи двигателя по скорости; ?д — угол поворота вала двигателя; TЭ, TМ — электромагнитная и механическая постоянные времени; MН — постоянная составляющая момента возмущения; F — коэффициент демпфирования двигателя; i — передаточное число редуктора.

5. Уравнение редуктора



где kp = 1/i — передаточный коэффициент редуктора.

Подстановкой ?д из (243) в (242) получаем уравнение силовой части привода (двигатель — редуктор)

 

или



Здесь операторный многочлен A (p) характеризует запаздывание, обусловленное инерционностью элементов силовой части привода, в изменении скорости выходного вала при скачкообразном изменении управляющего сигнала:



При наличии в СП генератора и ЭМУ, а также учете инерционности электронного усилителя вид операторного многочлена A (p) усложняется. Например, при наличии ЭМУ



где Ta, Tу — постоянные времени ЭМУ.

Операторный многочлен B (p) характеризует запаздывание в изменении скорости нарастания момента:



Bo всех случаях A (0) = 1, B (0) = 1.

При совместном решении уравнений (240), (241), (244) получаем дифференциальное уравнение СП в операторной форме



или



где — коэффициент усиления разомкнутой системы. Как следует из уравнения (246), погрешность привода ? зависит как от управляющих, так и от возмущающих воздействий. Результирующую погрешность можно получить в виде суммы составляющих от каждого вида воздействия, так как в линейных системах реакции на различные воздействия можно рассматривать раздельно:



Полагая, что возмущающий момент отсутствует (М? == 0), получаем



Определим выражения характерных для привода передаточных функций. Передаточная функция разомкнутого СП



Соответственно обратная передаточная функция разомкнутого СП





Структурную схему СП с учетом выражения (248) можно упростить (рис. 106, б).

Передаточные функции замкнутого привода Ф(p) и погрешности G(p) могут быть определены с помощью известных из теории автоматического регулирования формул взаимосвязи для систем с единичной ОС.



Отсюда передаточная функция замкнутого привода



Передаточная функция погрешности привода



Выражение



получаемое как знаменатель передаточной функции замкнутого привода, является его характеристическим уравнением.

Для оценки устойчивости привода по критерию Гурвица напишем уравнение СП (251) в развернутом виде с учетом выражения (245):



Так как все коэффициенты уравнения положительны, устойчивость привода будет обеспечена при выполнении неравенства



Точность привода оценим значением погрешности по управляющему и возмущающему воздействиям.

Погрешность по управляющему воздействию согласно (250)



B установившемся режиме движения с постоянной скоростью [p = 0, A (0) = 1] в СП возникает погрешность, называемая скоростной:



Для оценки влияния возмущающего момента на погрешность привода положим ? = 0 и определим передаточную функцию погрешности по отношению к возмущающему воздействию, заменяя ? = - ? в выражении (246):



Передаточная функция погрешности по возмущающему моменту

 

Как следует из выражения (254), по отношению к моменту возмущения СП является статическим. Для определения значения установившейся погрешности ?? в уравнении (254) полагаем p = 0, A (0) = 1, B(0) = 1. Тогда



Погрешность, вызванная постоянной составляющей момента возмущения М?, называется моментной погрешностью СП.

Суммарная установившаяся погрешность привода, определяемая выражением



зависит от коэффициента усиления ? разомкнутого привода. Чем больше этот коэффициент, тем точнее привод и выше его добротность. Добротность по скорости D? определяется отношением установившейся скорости входного вала к установившейся скоростной погрешности, возникающей при этом:



Как следует из полученного соотношения, добротность СП по скорости численно равна коэффициенту усиления разомкнутого привода.

Таким образом, требования к точности СП могут быть удовлетворены путем увеличения коэффициента усиления ? разомкнутого привода, что положительно сказывается и на его быстродействии, так как расширяется полоса пропускания. Однако при этом возрастает колебательность, а, следовательно, ухудшается устойчивость СП. Разрешить это противоречие, обеспечить требуемую устойчивость и качество работы при заданной передаточной функции неизменяемой части СП позволяют корректирующие устройства.

Назад | Содержание

| Вперед

Частотные показатели качества

17.1. ЧАСТОТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

Качество СП определяют по виду переходного процесса (рис. 164), возникающего при отработке возмущения типа единичного скачка 1. Основными показателями качества являются:

Рис. 164. График переходного процесса

1) перерегулирование ?, определяемое отношением максимального выброса Хmax — Хуст

регулируемой величины к ее установившемуся значению Хуст в процентах:

B реальных приводах перерегулирование не превышает 10 ... 50 %;

2) время переходного процесса tр, характеризующее быстроту затухания колебаний и отсчитываемое от момента подачи возмущения до момента, когда регулируемая координата станет равной допустимой погрешности, т. e. войдет в зону ±?лоп или, если погрешность неизвестна, допустимому значению, составляющему 5 % установившегося значения;

3) число колебаний n, равное числу переходов через установившееся положение за время tр. Обычно n = 2 ... 3;

4) установившаяся погрешность, которую находят как разность ординат входного воздействия и выходной величины ?у = Хуст, — X(t)t>?; эта погрешность характеризует точность СП.

Чем меньше перерегулирование ?, время переходного процесса tр, количество колебаний и выше точность, тем выше качество СП. Однако такая оценка качества связана с трудностью построения самого переходного процесса. Составить косвенную оценку реакции СП на входной сигнал можно на основании рассмотрения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) привода, так как практически любой входной сигнал может быть представлен в виде ряда гармонических составляющих.

По АЧХ, показанной на рис. 165, а, можно судить о том, что СП отрабатывает входной сигнал на всех частотах без искажения. Ho также идеально этот привод отрабатывает и сигнал помехи, что недопустимо. Для повышения помехозащищенности СП АЧХ видоизменяют так, чтобы на низких частотах гармонических составляющих входного сигнала модуль частотной характеристики был больше единицы, а на высоких частотах для ослабления сигнала помех |W (j?)| был меньше единицы (рис. 165, б). Эту же зависимость можно проследить и в ЛАЧХ разомкнутого привода (рис. 165, в).

Рис. 165. Частотные характеристики СП



Рис. 166. Номограмма Солодовникова

B результате АЧХ реального привода приобретает нелинейный вид и характеризуется такими параметрами, как частота среза ?с и показатель колебательности M. Частота, соответствующая амплитуде A (?с) = 1, называется частотой среза, а диапазон частот от 0 до ?0 характеризует полосу пропускания привода. Частоту среза разомкнутого привода можно также определить по ЛАФЧХ (рис. 165, в) из условия L(?с) = 20·lgW(j?с) = 1. Чем больше полоса пропускания (?с), тем в большем диапазоне частот привод реагирует на гармонические колебания и тем меньше tр.

Показатель колебательности M характеризует склонность привода к колебаниям и определяется отношением максимальной амплитуды Аmax к амплитуде A (0) = 1 на частоте ? = 0: M = Аmax/А (0).

Большинство СП рассчитывают по значению M = 1,1 ... l,5.

Выбор частотных показателей качества — сложная задача, требующая компромиссного решения. Улучшение фильтрующих свойств привода по отношению к сигналу помехи за счет ограничения ?с неблагоприятно сказывается на быстродействии СП, так как время переходного процесса находится в обратной зависимости от частоты ?с:



где b — коэффициент, определяемый по номограмме Солодовникова (рис. 166) и зависящий от перерегулирования ?. С другой стороны, повышение требований к точности отработки сигнала приводит к необходимости увеличения добротности СП, а следовательно, к увеличению полосы пропускания (?с) и росту M Увеличение коэффициента M связано с ростом колебательности и уменьшением устойчивости привода. Для того чтобы показатель M не превысил заданного значения, необходимо обеспечить достаточные запасы устойчивости привода по амплитуде т и по фазе ?. Запасы устойчивости удобно находить по ЛАФЧХ разомкнутого привода.



Рис. 167. Логарифмические характеристики разомкнутого СП

Запас устойчивости по амплитуде (- m, дБ) находят по ординате ЛАЧХ, соответствующей точке пересечения ЛФЧХ с прямой -180° (рис. 167, а). Запас устойчивости по фазе ? определяется превышением ЛФЧХ над прямой -180° при частоте среза ?с.



Рекомендуемые минимальные запасы: m = - (8 ...10) дБ, ? = 30 ... 40°.

Рекомендуемые запасы устойчивости обеспечиваются при выполнении следующих требований, предъявляемых к виду среднечастотной асимптоты ЛАЧХ: ее наклон должен быть равен - 20 дБ/дек при протяженности h этого участка, определяемой отношением h = ?3/?2 (рис. 167, б). При заданном показателе M протяженность h ограничивается интервалом



Другой способ обеспечения запасов устойчивости — выбор длины средней части ЛАЧХ (рис. 167, в), исходя из условия



Таким образом, частотными показателями качества являются частота среза ?с, показатель колебательности M и запасы устойчивости привода по амплитуде - m, дБ и по фазе ?, ? .

Ограничение полосы пропускания приводит к тому, что СП отрабатывает управляющий сигнал с некоторой погрешностью, определяемой углом рассогласования управляющей и исполнительной осей в установившемся режиме.

Согласно (322) установившаяся погрешность



Существует способ оценки коэффициентов погрешностей непосредственно по ЛАЧХ разомкнутого привода. Ha рис. 167, а изображена ЛАЧХ разомкнутого СП с астатизмом первого порядка. Пересечение низкочастотной асимптоты ЛАЧХ, имеющей наклон - 20 дБ/дек с осью абсцисс, определяет точку ??= ?, где ? — коэффициент усиления по скорости, численно равный добротности по скорости D?. Воспользовавшись выражением (325), можно установить соответствие между коэффициентами C1 и параметрами ЛАЧХ:



Аналогично коэффициент погрешности C2 по ускорению определяется добротностью привода по ускорению D? в соответствии с (326) или частотой ?? точки пересечения асимптоты ЛАЧХ, имеющей наклон - 40 дБ/дек, с осью абсцисс:



Таким образом, ожидаемая установившаяся динамическая погрешность привода с характеристикой, представленной на рис. 167, а,



При гармоническом законе движения управляющей оси с амплитудой ?0 точность привода оценивают амплитудой гармонической составляющей погрешности на рабочей частоте ?? согласно (249):



Для большинства СП справедливо условие |W(j?р)|>>1, на основании которого можно приближенно оценить гармоническую погрешность:





или с учетом (12)



Для обеспечения точности отработки управляющего сигнала СП с погрешностью не более заданной необходимо выполнить условие



Как следует из выражений (337) и (338), для увеличения точности СП необходимо повышать добротность. Однако это приводит к увеличению полосы пропускания и уменьшению запасов устойчивости. С другой стороны, полосу пропускания привода следует уменьшать для ослабления сигнала помехи, что, в свою очередь, приводит к уменьшению быстродействия СП. Выбор оптимального, с точки зрения показателей качества, решения является основной задачей синтеза СП. Известно несколько методов синтеза. Будем придерживаться частотного метода, основанного на однозначной зависимости показателей качества от параметров частотных характеристик привода.

Расчет привода с заданными показателями качества осуществляют в следующей последовательности:

анализ логарифмической амплитудно-фазовой частотной характеристики (ЛАФЧХ) исходного не скорректированного привода;

построение желаемой логарифмической амплитудно-фазовой частотной характеристики (ЖЛАФЧХ) привода с данными динамическими показателями;

построение ЛАЧХ корректирующего устройства на основе сопоставления исходной ЛАЧХ и ЖЛАЧХ привода;

техническая реализация КУ и расчет его параметров;

построение переходного процесса скорректированного привода и определение основных динамических показателей качества.

Назад | Содержание

| Вперед

Динамика гидравлических следящих приводов c дроссельным регулированием

13.2. ДИНАМИКА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ C ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Динамика ГСП (ДМ). Динамические характеристики и устойчивость такого привода могут быть исследованы как с помощью полной нелинейной системы уравнений или упрощенной нелинейной системы уравнений с учетом уравнения (94), так и с помощью линейных уравнений.

Примечание. Будем в дальнейшем рассматривать ГСП (ДМ) с ГИУ в виде ГЦ как более сложный и более общий случай.

Полная нелинейная система ГСП (ДМ):

1) уравнения сил (90);

2) уравнения расходов (91) и (92) (вместо координаты x используется координата ?x);

3) уравнение обратной связи ?x = x — kocxп где koc — коэффициент обратной связи; koc = a/(a +b);

4) уравнения, учитывающие ограничения по координатам ?x и xп, или уравнения, учитывающие ограничения по dxп/dt и xп;

5) уравнения, учитывающие люфт в кинематической цепи обратной связи.

Полная нелинейная система может быть исследована с помощью аналоговой или цифровой ЭВМ.

Упрощенная нелинейная система уравнений ГСП (ДМ):

Тe же уравнения, что и в случае полной нелинейной системы, но вместо уравнений расходов (91) и (92) рассматривается одно уравнение (94) для скорости выходного звена ГИУ.

Линейная система уравнений ГСП (ДМ):

B этом случае: а) пренебрегаем силами трения РГЦтр и РОРтр; б) не учитываем ограничения по координатам x, dxп/dt и xп и люфт в кинематической цепи обратной связи; в) вместо нелинейных уравнений расходов используем линейное уравнение (98) для скорости выходного звена ГИУ.

Соответствующая структурная схема линейной модели ГСП (ДМ) (для kп ? 0) изображена на рис. 145, а.

Передаточная функция xп/x при PВ= 0

Передаточная функция xп /PВ при x = 0 (см. рис. 145, б):

Общее выражение для координаты xп:

Рис. 145. Структурные схемы ГСП (Д)

Передаточная функция ?x/x при Рв = 0 (см. рис. 145, в):

Передаточная функция ?x/Рв при x = 0 (рис. 145, г)

Полное выражение для ошибки

Аналогично рассмотренному выше варианту нагружения ИУ (kп ? 0) можно записать выражение для xп и ?x для случая kп = 0:

14.2. ДИНАМИКА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ C ОБЪЕМНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Уравнения ГСП (O). Рассмотрим вначале основные уравнения и передаточные функции ГСП (OM) без МУ как наиболее простой случай (см. рис. 147). Динамические характеристики и устойчивость такого ГСП могут быть исследованы как с помощью полной нелинейной системы уравнений, так и с помощью линейных уравнений.

Полная нелинейная система ГСП (OM):

1) уравнение (85) моментов на валу ГМ;

2) уравнение (86) моментов нагрузки;

3) уравнение (122) расходов;

4) уравнение обратной связи ?? = ? — (1/i2) ?;

5) уравнение связи координат ?? и e: e = kе ??;

6) уравнения, учитывающие ограничения по ?? и ?;

7) уравнения, учитывающие люфт в цепи управления и в цепи обратной связи.

Полная нелинейная система ГСП (OM) может быть исследована с помощью ЭВМ.

Линейная система уравнений ГСП (OM).

В этом случае: а) пренебрегаем моментами трения М??тр и МОРтр; б) не учитываем ограничение по координатам ?? и ?; в) вместо уравнения расходов (122) используется уравнение (126) при Q0 = 0; г) не учитываем люфты в кинематических механизмах.

B соответствии со структурной схемой (см. рис. 147, б) передаточная функция, связывающая координаты ? и ? (для сОР = 0 и при МВ= 0):

Введем обозначения:

Передаточная функция ?/М? при ? = 0

Общее выражение для ?:

Передаточная функция по ошибке ?? при М? = 0

Передаточная функция по ошибке ?? при ? == 0

Общее выражение для ошибки

Теперь рассмотрим уравнения ГСП (OM) с механизмом управления (см. рис. 148).

Полная нелинейная система ГСП (OM) с механизмом управления.

1. Уравнения механизма управления. B рассматриваемом случае МУ представляет собой ГСП (ДМ) (см. п. 2 гл. 13), входная координата которого x(p) определяется по уравнению: x =

у = ? — ?ОС = ? — (1/i2) ?, а выходная координата хП. Связь координат x и хП подробно описана в гл. 13.

При исследовании динамики ГСП (OM) динамические характеристики МУ аппроксимируют апериодическим звеном

постоянную времени ТМу выбирают по точным ЛАФЧХ в полосе частот, в пределах которой формируется контур ГСП (OM).

Примечание. Выше мы исследовали устойчивость замкнутого контура ГСП (ДМ) без специальных КУ. Известно, что с помощью КУ можно обеспечить устойчивость замкнутого контура ГСП (ДМ) при более гибком варьировании параметров привода и нагрузки. Применение КУ в ГСП и, в частности, применение гидромеханических КУ в ГСП (ДМ) рассмотрено в гл. 8.



Динамика ЭГСП (Д). Нелинейные и линейные уравнения силовой части ЭГСП (Д) ничем не отличаются от соответствующих уравнений ГСП (ДМ). К уравнениям силовой части добавляются уравнения, описывающие динамику преобразующего устройства (ПУ), усилителя мощности, электрогидравлического усилителя мощности и согласующей аппаратуры (если она применяется).

Динамика ЭГУ и усилителя мощности подробно описана в гл. 7. Следует отметить, что при анализе устойчивости и динамических характеристик ЭГСП (Д) динамические характеристики ЭГУ, как правило, аппроксиммируются апериодическим звеном



где постоянная времени Тэгу определяется по точным ЛАФЧХ ЭГУ в полосе частот, в пределах которой формируется контур ЭГСП (Д). В нелинейной модели ЭГСП (Д) как основная нелинейность ЭГУ учитывается только ограничение или по выходной координате ЭГУ, или по расходу РЖ, поступающей к ГИУ.

Динамические характеристики усилителя мощности (УМ) с достаточной для инженерных расчетов точностью описываются с помощью апериодического звена (см. п. 4 гл. 6 и п. 4 гл. 7)



В нелинейной модели УМ как основная нелинейность учитывается ограничение по напряжению в цепи сигнала рассогласования контура УМ, замкнутого обратной связью по току.

Динамические характеристики преобразующего устройства описываются, как правило, линейными дифференциальными уравнениями, вид и порядок которых в основном зависят от типа корректирующего устройства, стоящего в цепи сигнала рассогласования (входящего в состав ПУ).



Рис. 146. Структурные схемы ЭГСП (Д)

Динамические характеристики согласующей аппаратуры — это характеристики фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ) и частотного фильтра, стоящих в цепи обратной связи от выходной координаты ЭГСП (Д) до устройства вычисления ошибки в случае применения в качестве датчика обратной связи датчика на переменном токе, например индукционного датчика.



Как правило, работа ФЧВ характеризуется его коэффициентом передачи (считается, что в полосе частот формирования контура привода динамические характеристики ФЧВ намного выше динамических характеристик отдельных элементов привода и ими можно пренебречь).

Динамические характеристики частотного фильтра зависят от частоты питающего напряжения индукционного датчика и от типа и схемы фильтра. B большинстве случаев достаточно ограничиться описанием динамических свойств фильтра с помощью апериодического звена с передаточной функцией



Постоянная времени Тф выбирается по точным ЛАФЧХ фильтра в полосе частот, где формируется контур ЭГСП (Д).

Динамические характеристики ЭГСП (Д) с шаговым двигателем, как правило, исследуют при условии, что входной координатой является угол поворота шагового двигателя, закон движения которого в первом приближении (при пренебрежении динамикой в пределах одного шага) можно записать с помощью линейной функции ?шд = kшдt.

При изучении линейной модели ЭГСП (Д), так же как и при изучении ГСП (ДМ), используют передаточные функции:



Примечание. Без ущерба для изложения сути материала ограничимся в дальнейшем рассмотрением передаточных функций для ЭГСП (Д), структурная схема которого изображена на рис. 142, а.

Передаточная функция xП/Uупр при Рв = 0 (рис. 146, а).



Здесь



Передаточная функция xП/Рв при Uупр = 0 (рис. 146, б):



Объединив (308) и (309), получим



Передаточная функция для ?U(p) может быть записана аналогично передаточной функции для ?x(p) ГСП (ДМ):



Структурные схемы, соответствующие формуле (311), приведены на рис. 146, в, г.

Если в уравнении сил на ИУ kп = 0 то формулы для xП(p) и ?U(p) примут следующий вид:



где



Анализ динамических характеристик, определение необходимого коэффициента усиления контура линейной модели ЭГСП (Д) при обеспечении заданного запаса по устойчивости и исследование статической и динамической точностей проводят по структурным схемам (см. рис. 142). Нужный коэффициент усиления при выбранных элементах ЭГСП (Д) (усилителе мощности, ЭГУ, датчике обратной связи, согласующей аппаратуре) достигается за счет выбора коэффициента усиления преобразующего устройства, которое в самом простом случае представляет собой операционный усилитель.



Как правило, определение устойчивости и исследование динамических характеристик линейной математической модели ЭГСП (Д) проводят путем построения ЛАФЧХ разомкнутого и замкнутого контуров привода. При этом так же, как и в ГСП (ДМ), при определении устойчивости замкнутого контура ЭГСП (Д) в формулах для расчета коэффициентов , и параметров передаточных функций W0(p) и WИМ(p) коэффициент K принимается равным нулю, а при построении ЛАФЧХ замкнутого контура указанные коэффициенты и параметры W0(p) и WИМ(p) рассчитывают при и при неизменном коэффициенте усиления управляющей части, определяемом по критериям устойчивости при K = 0.

Устойчивость ЭГСП (Д). Все закономерности, выявленные при исследовании устойчивости динамических характеристик ГСП (ДМ), могут быть исследованы для ЭГСП (Д) со следующими дополнениями.

1. Для увеличения запасов устойчивости и улучшения динамических характеристик необходимо уменьшать постоянные времени Tэгу и .

2. Влияние WПУ(p) на устойчивость, статические и динамические характеристики ЭГСП (Д) в случае, когда в состав ПУ входит КУ того или иного типа, весьма существенно, поэтому эти вопросы являются предметом специального рассмотрения в гл. 7.

3. Как сказано выше, динамические характеристики согласующей аппаратуры в случае применения датчика обратной связи на переменном токе описываются с помощью апериодического звена [см. (307)]. Такое звено в цепи обратной связи ЭГСП (Д) уменьшает значение частоты разомкнутого контура, при которой фазовый сдвиг равен 180°, и, следовательно, ухудшает устойчивость. Однако это звено обеспечивает дифференцирующий эффект в замкнутом контуре, что необходимо учитывать при построении ЛАФЧХ разомкнутого и замкнутого контуров ЭГСП (Д).

Назад | Содержание

| Вперед



2. Уравнение (85) моментов на валу ГМ.

3. Уравнение (86) моментов нагрузки.

4. Уравнение (122) расходов.

5. Уравнение связи координат хП и ?: ? == k?хП,

6. Уравнение связи координат ? и e: e = kупр?.

7. Уравнения, учитывающие ограничения по координатам хП, ? и ?.

8. Уравнения, учитывающие люфт в кинематических механизмах по цепи управления и по цепи обратной связи.



Линейная система уравнений ГСП (OM) с МУ.



B этом случае: а) пренебрегаем моментами трения М??тр и МОРтр; б) не учитываем ограничения по координатам хП, ? и ?; в) вместо уравнения расходов (122) используется уравнение (126) при Q0 = 0; г) не учитываем люфты в кинематических механизмах.

Соответствующая структурная схема ГСП (OM) при сОР = 0 приведена на рис. 148, б.

Передаточная функция ?/? при MВ = 0



Обозначим



Передаточная функция ?/М? при ? = 0



Общее выражение для координаты ?



Передаточная функция по ошибке у = ? — ?ОС при МВ = 0



Передаточная функция у/М? при ? = 0



Общее выражение для ошибки



Для случая сОР ? 0 формулы (316) и (317) могут быть записаны в следующем виде:





Устойчивость замкнутого контура ГСП (OM). Для выявления принципиальных закономерностей рассмотрим простейший вариант ГСП (OM) — без МУ.

Характеристическое уравнение для сОР = 0



Критерий Гурвица может быть записан в следующем виде:



Выполнение первого условия очевидно. Рассмотрим второе условие



Если подставить в последнее неравенство значение T0, ?0, kгп, kгм (см. гл. 3), то получим



Из последнего неравенства следует, что для повышения запасов устойчивости замкнутого контура ГСП (OM) необходимо:

уменьшать коэффициенты ke, (1/i2) и kH, параметр упругости ? (уменьшать V и увеличивать ??), -инерционную нагрузку (J); увеличивать коэффициент демпфирования (F), параметр герметичности ? (увеличивать утечки и перетечки), рабочий объем ГМ (?гм).

Если рассмотреть случай сОР ? 0, то, введя обозначение на основании формул для коэффициентов А, B, C и D получим неравенство (см. гл. 3)





Последнее неравенство, так же как и неравенство (318), позволяет оценить влияние параметров нагрузки и параметров привода на устойчивость замкнутого контура ГСП (OM).

Рассмотрим теперь нелинейные и линейные уравнения ЭГСП(О). Уравнения силовой части ЭГСП (O) ничем не отличаются от соответствующих уравнений ГСП (OM). К уравнениям силовой части добавляются уравнения, описывающие динамику преобразующего устройства, согласующей аппаратуры и уравнения механизма управления. Как и в случае ЭГСП (Д), уравнения преобразующего устройства в зависимости от типа последовательного КУ описываются дифференциальными уравнениями, вид и порядок которых определяется типом КУ. Так как мы условились в данной главе не рассматривать ни параллельные, ни последовательные КУ, то будем считать в дальнейшем преобразующее устройство ПУ простым усилительным звеном с коэффициентом усиления kу. К согласующей аппаратуре обычно относят ФЧВ и частотный фильтр. Так же как и при рассмотрении динамики ЭГСП (Д), будем считать, что динамика фильтра описывается простейшим звеном



постоянную времени которого Тф выбирают по точным ЛАФЧХ фильтра в полосе частот формирования контура привода. ФЧВ будем считать усилительным звеном. Как мы условились выше (при рассмотрении МУ с механической обратной связью), динамические характеристики МУ будем учитывать с помощью апериодического звена

.



Рис. 152. Структурные схемы ЭГСП (O)

Примечание. B данном случае (применительно к схеме ЭГСП; (O) на рис. 150, 6} под WМУ(р) подразумеваем передаточную функцию части структуры ЭГСП (O) от Uупр (p) до xп (p).

В качестве примера ЭГСП (O) рассмотрим следящий привод, принципиальная схема которого дана на рис. 151, при условии, что сОР = 0. Структурные схемы такого привода с учетом принятых упрощений могут быть представлены так, как показано на рис. 152.

Обозначим



Рассмотрим вспомогательную передаточную функцию



Передаточная функция, связывающая координаты ? и Uупр (рис. 152, а):



Рассмотрим передаточную функцию ?/М? при Uупр = 0 (рис. 152, б). Введем вспомогательную передаточную функцию



Обозначим



C учетом (319) передаточная функция ?/М? при Uупр = 0 (рис. 152, в) записывается в виде



Передаточные функции для ошибки ?U с учетом структурных схем изображенных на рис. 152,г и д, записываются в следующем виде:



Назад | Содержание

| Вперед

Гидравлические исполнительные устройства

3.6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Гидравлические исполнительные устройства (ГИУ) в сравнении с электрическими (ЭИУ) обладают следующими преимуществами:

самосмазываемость ГИУ, работающих на минеральных маслах, что повышает износостойкость и надежность работы;

способность развивать большие крутящие моменты и усилия с помощью малогабаритных и легких устройств; удельные силы ГИУ больше удельных сил ЭИУ в 10 ... 20 раз;

малая инерционность движущихся рабочих органов ГИУ, что обеспечивает высокое быстродействие и высокую точность работы следящего привода с ГИУ. При рабочем давлении 30 МПа и мощности более 1 кВт отношение крутящего момента к моменту инерции ротора ГИУ в 20 ... 30 раз больше, чем соответствующее отношение ЭИУ;

автоматическое предохранение ГИУ от перегрузки, реализуемое с помощью простых и надежных устройств (предохранительных клапанов);

простота реализации возвратно-поступательного движения без промежуточных устройств (гидроцилиндров);

высокая жесткость к нагрузке за счет существенно большей жесткости гидравлической «пружины», определяемой геометрией ГИУ и модулем упругости рабочей жидкости, по сравнению с жесткостью электромагнитной «пружины» в ЭИУ. Как недостатки ГИУ отметим следующие:

жесткие требования к точности изготовления элементов ГИУ, так как от рабочих зазоров в узлах ГИУ зависят утечки и перетечки и, следовательно, КПД ГИУ;

сложность проблемы обеспечения чистоты рабочей жидкости.

Рис. 37. Принципиальная схема ГПД

В качестве ГИУ в гидравлических следящих приводах (ГСП) применяются гидроприводы (ГП) с дроссельным и объемным регулированием скорости выходного звена.

Гидропривод с дроссельным регулированием (ГПД). В ГПД скорость выходного звена регулируется изменением площади приходного сечения дросселя. ГП этого класса отличаются простотой конструкции, малыми массами и размерами, высоким быстродействием, надежностью работы, малой стоимостью. В силу этого ГПД получил наибольшее распространение в системах управления летательными аппаратами, в транспортной технике, в станкостроении, судостроении и в целом ряде других областей техники.

Как недостатки ГПД следует отметить малый КПД, зависимость скорости выходного звена от нагрузки, зависимость основных характеристик от температуры рабочей жидкости.

ГПД состоит из исполнительного механизма (гидроцилиндр, полноповоротный или неполноповоротный гидромотор) и управляющего гидравлического дросселирующего устройства, в качестве которого наибольшее распространение в различных областях техники получил четырехщелевой (четырехдроссельный) золотниковый гидрораспределитель (ЗГР) (рис. 37). В высококачественных ГСП на основе ГПД применяются ЗГР, близкие к «идеальным» (с малыми перекрытиями A по рабочим кромкам; ? = (2 ... 5)?, где ? = (2 ... 9) мкм — радиальный зазор между золотником и гильзой). Такие ЗГР обеспечивают высокую чувствительность ГПД к управляющему сигналу и малые утечки рабочей жидкости.

Главной особенностью работы ГПД является то, что перепад давлений ?p0 — ?p, где ?p0 = рн — рсл — располагаемый (начальный) перепад давлений; ?p = р1—р2 — перепад давлений в рабочих полостях ГИУ; рн — давление нагнетания; рсл — давление слива, полностью срабатывается на гидравлических сопротивлениях ЗГР, и если, например, ГПД работает на холостом ходу (?p = 0), то вся мощность гидравлического потока превращается в теплоту. Этим объясняется низкий КПД ГПД и, как следствие, использование их в ГСП, мощность которых в большинстве случаев не превышает 5 кВт. Тем не менее, известны многочисленные примеры использования ГПД для ГСП существенно большей мощности, когда главным считается минимизация массы и размеров, надежность и быстродействие, а КПД не имеет существенного значения (летательные аппараты).

Рассмотрим расчетную схему ГПД с исполнительным механизмом в виде гидромотора (ГМ) (см. рис. 37).

Примем следующие допущения:

1) температура рабочей жидкости (РЖ) постоянная;

2) перекрытия в ЗГР равны нулю;

3) коэффициент расхода рабочих окон ЗГР постоянный;

4) гидравлические проводимости рабочих окон ЗГР при одинаковых смещениях золотника относительно нейтрального положения равны;



5) гидравлическими сопротивлениями и волновыми процессами в трубопроводе пренебрегаем ( длина трубопровода не более 15 м);

6) модуль упругости РЖ постоянный (не зависит от давления); в принципе модуль упругости РЖ зависит от давления, но при p > 0,8 ... 1 МПа и при содержании газовой фазы в РЖ менее 0,1 % его можно считать постоянным [4];

7) расходами, обусловленными компрессией и декомпрессией РЖ при прохождении рабочей камеры через разделительную перемычку распределительного узла, ГМ, пренебрегаем;

8) массой РЖ, находящейся в трубопроводе, пренебрегаем;

9) работу предохранительных клапанов не учитываем (считаем, что нагрузка на валу ГМ не превышает максимальную расчетную нагрузку);

10) вал ГМ считаем абсолютно жестким;

11) конструкция ГМ симметричная. Условимся также, что расчетная схема, изображенная на рис. 37, соответствует x > 0, где x — координата ЗГР.

Расходы Q2 и Q3 (при x > 0) будем учитывать с помощью расхода перетечек QП.3 через условный дроссель (см. рис. 37). B соответствии с расчетной схемой



Здесь QП.3 = kQp (р1 — р2) — расход перетечек, характеризующий объемные потери ЗГР;



где bщ — ширина щели ЗГР; ? — радиальный зазор ЗГР; ?Д — коэффициент динамической вязкости РЖ;



? — коэффициент расхода рабочих окон ЗГР; этот коэффициент зависит от числа Рейнольдса (Re) [4], но при Re > 260 можно считать ? = const = 0,71; g — ускорение свободного падения; ? — плотность РЖ.

Введем обозначение

Перейдем к рассмотрению уравнений ГМ. Расчетная схема ГМ как часть общей расчетной схемы ГПД приведена на рис. 37. Входными величинами для ГМ являются расходы РЖ QГМ.1 и QГМ.2. поступающей в ГМ и выходящей из него, выходной величиной — угловая скорость ? вала ГМ, а возмущением — момент нагрузки на валу ГМ.

Запишем уравнение расходов ГМ:



Здесь QГМ.г — геометрическая подача ГМ;



где WГМ = VГМ р/(2?) — характерный объем ГМ; VГМ р — рабочий объем ГМ (изменение объема рабочих камер ГМ за один оборот вала); QГМ yl и QГМ y2 — расходы утечек из приемной и отдающей полостей ГМ:





где сГМу — коэффициент утечек ГМ; для аксиально- поршневых гидромашин сГМу может быть определен по формуле



где mГМу = 0,6 ... 1,2 — коэффициент, зависящий от конструкции ГМ; — максимальная геометрическая подача ГМ; ?ГМоб — объемный КПД ГМ; рном — номинальное давление в рабочих полостях ГМ; QГМ.п — расход перетечек ГМ;



где сГМп — коэффициент перетечек ГМ; — перетечки холостого хода ГМ (учитывает потери на трение внутри ГМ), определяемые экспериментально;

для аксиально-поршневых ГМ



где mГМ.п = 0 ... 0,4 — коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения распределительного узла ГМ; QГМ д1 и QГМ д2 — расходы, обусловленные сжимаемостью РЖ, находящейся в отдающей (сливной) и в приемной полостях ГМ;



где VГМ1 и VГМ2 - объемы РЖ, находящейся в приемной и в отдающей полостях ГМ; в силу обычной симметричности конструкции ГМ VГМ1 = VГМ2 = VГМ.

Систему уравнений (78) с учетом уравнений (79)—(83) можно записать:



Уравнение моментов на валу ГМ



где МГМ — момент, развиваемый ГМ; JГМ — момент инерции ротора ГМ; FГМ — коэффициент вязкого трения в ГМ; МГМ тр — момент трения в ГМ; MН — момент нагрузки на валу ГМ;



где JОР — момент инерции объекта регулирования; (OP)i — передаточное число редуктора между ГМ и OP; FОР — коэффициент вязкого трения OP; сОР — жесткость пружинной (шарнирной нагрузки) OP; ? — угол поворота вала ГМ; МВ — внешний возмущающий момент, действующий на OP; MОP тр — момент трения на OP.

Рассмотрим уравнения трубопровода. При принятых допущениях трубопровод можно рассматривать как систему с сосредоточенными параметрами. Для трубопровода (при x > 0) справедливы следующие уравнения:



Здесь Vт1 и Vт2 — объемы РЖ, находящейся в трубопроводах 1 и 2, — приведенный модуль упругости i-го трубопровода (учитывает не только упругость РЖ, но и упругость стенок материала трубопровода);



где d0i — внутренний диаметр i-го трубопровода; ?i — толщина стенок i-го трубопровода; ETi — модуль упругости материала стенок i-го трубопровода.



Решая совместно уравнения (75), (77), (84) и (87) для x > 0, получаем



Уравнения (88) и (89) совместно с уравнениями (85) и (86) дают связь между координатами x и ? для ГПД с исполнительным механизмом в виде ГМ при учете параметров ГП и параметров нагрузки. Если в качестве исполнительного механизма рассмотреть гидроцилиндр (ГЦ), то в уравнениях (88) и (89) необходимо ввести следующие изменения.

Геометрическая подача



где FП— площадь поршня ГЦ; dxП/dt — скорость выходного звена (штока) ГЦ.

Соответственно расходы



где Н — максимальное перемещение поршня от среднего положения, .

Для ГЦ сГМу = 0, Q0ГМ.п = 0; обозначим



Уравнение сил для ГЦ записывается в следующем виде:



где M — масса OP и подвижных частей ГЦ; kД - коэффициент вязкого демпфирования OP; kП — коэффициент пружинной (шарнирной) нагрузки OP; РОР тр — сила трения в OP; Ргц тр — сила трения в ГЦ; РВ — внешнее возмущение, действующее на OP (не зависит ни от хП, ни от dx/dt, ни от d2xП/dt2).

C учетом указанных различий уравнения (88) и (89) примут вид



Примечание. Если в ГПД ограничение по скорости обеспечивается площадью окон ЗГР, то при работе ГПД в режимах, когда | x | > хmax, где хmax— значение координаты x, при котором наступает ограничение по dxП/dt, в уравнениях (91), (92) вместо координаты x будет фигурировать хmax.

Системы уравнений (88), (89) и (91), (92) — сложные нелинейные системы, которые могут быть решены только с помощью ЭВМ.

Примечания: 1. Ограничимся в дальнейшем рассмотрением ГПД с ГЦ как наиболее часто встречающуюся в практике схему ГПД. 2. Bo многих работах по ГПД рассматривается жесткость сг гидравлической «пружины», под которой подразумевается отношение внешней силы, приложенной к штоку ГЦ, к значению «просадки» координаты хП под действием этой силы при условии, что рабочие полости ГЦ полностью герметизированы (нет перетечек через золотник и поршень и нет утечек). Приращение объема первой полости ГЦ при давлении p1 будет



Соответствующее перемещение поршня





Тогда выражение для жесткости первой полости ГЦ представим так:



Аналогично для второй полости ГЦ



Суммарная жесткость c?г = с1 + с2, т. e.



Минимальное значение c?г реализуется при хП = 0:



Если VT1 = VT2 = VT; VT= qHFП; q = const; ЕПР1= ЕПР1= ЕПР2= rЕ, где r < 1, то



где W0 = (q/r+ 1).

Минимальная жесткость

Рассмотрим частный случай: хП = 0 (поршень в среднем положении). Как правило, гидролинии делаются одинаковой длины из труб одного диаметра при одинаковой толщине стенок, поэтому можно считать, что VT1/EПР1 = VT2/EПР2.

Введем обозначение:



Рассмотрим уравнения (91) с учетом принятых допущений:



Вычтем из первого уравнения второе:



Рассмотрим dp1/dt + dp2/dt. Производные dp1/dt и dp2/dt характеризуют скорость изменения давлений p1 и р2. И хотя сами величины p1 и p2 могут отличаться друг от друга, в силу принципа работы ГЦ и принятых допущений (VT1/EПР1 = VT2/EПР2; хП= 0) можно заключить, что знаки этих производных противоположны, а модули равны. Следовательно, dp1/dt + dp2/dt = 0. Тогда



или



Аналогичное равенство можно получить и из системы (92) при тех же допущениях.

Решая совместно систему уравнений:



получим



Подставляя эти значения р1 и р2 в уравнения (93), а затем складывая эти уравнения и деля результат на два, получим



где ?p0 = рн — рсл.

Аналогичные операции с системой уравнений (92) дают



Последние два уравнения можно записать в виде одного уравнения



Примечания: 1. Как и при рассмотрении систем уравнений (91) и (92), зона работы ЗГР |x|> xmax может быть учтена простой подстановкой в уравнение (94) хmax вместо x. 2. Для случая, когда в ГПД используется ГМ в предположении, что сГМ.у = 0, уравнение (94) имеет тот же вид, только вместо FП фигурирует WГМ, а вместо dxП/dt — скорость ?

Решая уравнение (94) совместно с уравнением (90), получаем одно уравнение, устанавливающее связь координаты x с выходной координатой ГПД хП при учете параметров нагрузки M, kД, kП, PВ, РГЦтр, МОРтр и параметров приводасГЦп





Уравнение (95) заменяет систему уравнений (90), (91) и (92), и хотя оно существенно проще решается на ЭВМ, для качественного анализа влияния параметров привода и нагрузки на устойчивость замкнутого контура ГСП с ГПД и для инженерного расчета динамических характеристик необходимо перейти к линейным дифференциальным уравнениям. Прежде чем перейти к рассмотрению линейной модели ГПД, сделаем следующие замечания:

1. Изменяющиеся в функции координаты хП объемы VГЦ1 (хП) и VГЦ2 (хП) рабочей жидкости в рабочих полостях ГЦ при анализе устойчивости замкнутого контура ГСП с ГПД и при расчете динамических характеристик можно не учитывать, так как при хП = 0 (VГЦ1 = VГЦ2 = FПH) динамические характеристики ГПД наихудшие, а запас устойчивости замкнутого контура ГСП с ГПД наименьший. Поэтому расчет динамических характеристик ГПД и расчет устойчивости ГСП с ГПД, проводимые при хП = 0, дают определенные запасы по сравнению с точной моделью (при хП = var).

2. При расчете статических характеристик зависимость VГЦ1 и VГЦ2 от хП можно также не учитывать, так как эта зависимость проявляется только в динамических процессах (dp1/dt ? 0; dp2/dt ? 0). Поэтому при изучении статических характеристик уравнение (95) можно использовать без всяких допущений.

Перейдем к рассмотрению линейной модели ГПД. Главной нелинейностью уравнения (95) является радикал



Специальные исследования, проведенные на цифровой ЭВМ, показали, что радикал (96) может быть заменен следующим линейным выражением:



в котором коэффициент K. выбирают по следующему правилу:

1) K = 0 при расчете устойчивости замкнутого контура ГСП с ГПД;

2) при расчете динамических характеристик ГПД (ГСП).

При этом устойчивость и динамические характеристики рассчитывают с определенными, допустимыми в инженерных расчетах, запасами.

Запишем уравнение (94) с учетом замены радикала G (х, ?р) на G1 (х, ?р):





Запишем уравнение (95) с учетом линеаризации радикала и введенных обозначений:



Последнее уравнение в операторной форме записывается в следующем виде:





где



Соответствующая уравнению (99) структурная схема ГПД приведена на рис. 38, а. Эту схему удобно представить так, как показано на рис. 38, б, т. e. с использованием простейших звеньев. Ha этой схеме основные параметры определяются по следующим формулам:





Рис. 38. Структурные схемы ГПД

Большой практический интерес представляет случай, когда в уравнении (98) kП = 0. При этом уравнение (99) принимает вид



где



Соответствующая структурная схема изображена на рис. 38, в.

Введем обозначение:





Тогда основные передаточные функции ГПД могут быть записаны в следующем виде:



где



Статические характеристики ГПД (механическую, регулировочную скоростную и регулировочную характеристику по перепаду давлений) легко получить из уравнения (94). Следует отметить, что уравнения статических характеристик для ГПД с ГМ и ГПД с ГЦ будут различаться только обозначениями: там, где для ГЦ фигурирует площадь поршня FП и скорость штока dxП/dt, для ГМ в уравнения необходимо подставить WГM и ?. Поэтому при рассмотрении статических характеристик ограничимся случаем, когда в ГПД используется ГЦ.

Механическая (нагрузочная) характеристика



определяет функциональную зависимость скорости выходного звена (штока ГЦ) в установившемся режиме от координаты x ЗГР и от перепада давлений ?р.

Уравнения механической характеристики:



График механической характеристики приведен на рис. 39, а.

Регулировочная скоростная характеристика (скоростная характеристика холостого хода) определяет функциональную зависимость скорости выходного звена ГЦ в установившемся режиме от координаты x при отсутствии нагрузки (?р = 0). Уравнение этой характеристики получается из уравнения (111) при ?р = 0:



График регулировочной характеристики по скорости приведен на рис. 39, б.

Регулировочная характеристика по перепаду давлений (силовая характеристика) определяет функциональную зависимость перепада давлений ?р при неподвижном (заторможенном) выходном звене ГЦ (dxП/dt = 0) от координаты x. Уравнение регулировочной характеристики по перепаду давлений можно получить из уравнения (111) при dxП/dt = 0:





График регулировочной характеристики по перепаду давлений, построенный для конкретных значений kv, kпер, хmax, изображен на рис. 39, в.

Полезная мощность ГПД может быть определена по механической характеристике



или



Последнее выражение кроме мощности определяет также зависимость КПД ГПД от ?р в некотором масштабе, так как



Как полезную мощность, так и КПД ГПД рассчитывают при х =хmax



Рис. 39. Статические характеристики ГПД

При kпер = 0 максимальное значение мощности и КПД ГПД реализуется при ?р = 2/3?р0.

Ha практике (при учете kпер) максимальный КПД ГПД обычно не превышает 0,3.



Гидропривод с объемным регулированием (ГПО). По сравнению с ГПД ГПО обладает более высоким КПД и более жесткой механической характеристикой Как недостатки ГПО по сравнению с ГПД отметим более сложную конструкцию и меньшее быстродействие. Основными элементами ГПО являются насос и гидродвигатель (ГД). В ГПО наибольшее распространение получили аксиально-поршневые насосы с наклонным блоком цилиндров и с наклонным диском (шайбой), хотя известны случаи использования в ГПО пластинчатых насосов однократного действия и радиально-поршневых насосов, регулирование подачи которых обеспечивается за счет изменения эксцентриситета. В качестве ГД в основном применяются ГМ (аксиально-поршневого типа и радиально-поршневого; реже шестеренные и пластинчатые) и ГЦ. Иногда в качестве ГД используются неполноповоротные ГМ и квадранты.

Примечание. Учитывая, что ГЦ подробно описан в разделе ГПД, ограничимся в дальнейшем рассмотрением ГПО с исполнительным механизмом в виде ГМ.

В ГПО скорость выходного звена можно регулировать либо путем изменения рабочего объема насоса при постоянном рабочем объеме ГМ, либо путем изменения рабочего объема ГМ при постоянном рабочем объеме насоса, либо одновременным изменением рабочих объемов насоса и ГМ (рис. 40).



Рис. 40. Принципиальные схемы ГПО

Наибольшее распространение в технике получил первый способ (рис. 40, а), при котором теоретическое значение момента Мт на валу ГМ при постоянной нагрузке (?р = const, где ?р — перепад давлений между гидролиниями ГПО) остается постоянным при росте угловой скорости ГМ.



Теоретическое значение мощности N4, на валу ГМ при ?р = const изменяется линейно в функции от ?. Второй способ регулирования скорости (рис. 40, б) применяют в системах, где необходимо изменять момент на валу ГМ в широком диапазоне при ограниченной мощности ГПО. Третий способ (рис. 40, в) реализуется в так называемых двухканальных следящих системах, в которых один канал (регулирование ГМ) обеспечивает грубое регулирование в диапазоне скоростей от максимального значения ? max до ? 1, а другой канал (регулирование насоса) позволяет точно регулировать скорость в диапазоне от ? 1 до ? = 0. Более точное регулирование во втором случае обеспечивается за счет работы следящей системы при постоянном (максимальном) моменте Мт. B дальнейшем ограничимся рассмотрением первого способа регулирования ГПО.

ГПО с регулируемым насосом H работает следующим образом (рис. 41), При поступлении на вход механизма управления МУ управляющего сигнала Uупр происходит отклонение регулирующего органа PO насоса от нейтрального положения на угол, значение которого пропорционально модулю сигнала Uупр, a знак (направление отклонения PO) — знаку этого сигнала. При отклонении PO от нейтрального положения насос подает определенный расход РЖ, пропорциональный углу ? отклонения PO, в определенный трубопровод, например в гидролинию 1, которая в этом случае называется напорной гидролинией. Одновременно всасывающая полость насоса соединяется с гидролинией 2 (гидролиния низкого давления). РЖ от насоса через гидролинию 1 поступает в приемную полость ГМ. Отдающая полость ГМ через гидролинию 2 соединена с приемной полостью насоса. При таком соединении насоса и ГМ обеспечивается определенная угловая скорость вала ГМ, пропорциональная модулю |Uупр| управляющего сигнала и соответствующая (по направлению вращения вала ГМ) знаку Uупр.



Рис. 41. Принципиальная схема ГПО первого типа

В процессе работы замкнутого гидравлического контура (насос— гидролинии — ГМ) неизбежны объемные потери РЖ, для восполнения которых предназначен вспомогательный насос Нв, приводимый в движение, как и основной насос, от приводного двигателя M.



Подпитка гидролиний осуществляется через подпиточные клапаны ???1 и ???2. Переливной клапан ПК3 поддерживает в системе подпитки определенное давление рП = (2 ... 2,5) МПа, при котором подпиточные клапаны ???1 и ???2 обеспечивают давление всасывания в гидролиниях 1 и 2 рВС = (0,7 ... 1,3)МПа.

Для предохранения системы подпитки при засорении фильтра ?1 она снабжается предохранительным клапаном ??4. Иногда кроме фильтра ?1 на линии нагнетания устанавливается фильтр ?2 на линии всасывания вспомогательного насоса. Для защиты приводного двигателя от перегрузки ГПО снабжается нуль установителем НУ, который устанавливает PO в нулевое положение при падении давления подпитки в результате аварийной ситуации (например, нарушения герметичности гидролиний ГПО). Для предохранения ГПО от перегрузок предусмотрены предохранительные клапаны ??1 и ??2, отрегулированные на максимально допустимый перепад давлений ?рmax. Гидромотор через редуктор с передаточным числом i приводит во вращение объект регулирования OP, на который действует внешний возмущающий момент Мв.

Рассмотрим основные уравнения насоса как элемента ГПО. Входной величиной для насоса является параметр регулирования e.



Рис. 42. Расчетная схема ГПО

Параметр регулирования аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров определяют по формуле



где ? — угол наклона блока цилиндров.

Если насос аксиально-поршневого типа с наклонным диском, то



где ? — угол наклона диска.

И, наконец, параметр регулирования радиально-поршневого насоса и регулируемого пластинчатого насоса однократного действия рассчитывают по формуле



где ? — эксцентриситет насоса. В дальнейшем ограничимся рассмотрением аксиально-поршневых машин.

Выходными величинами насоса будем считать расходы QH1 и QH2 рабочей жидкости, выходящей из насоса и поступающей в него соответственно. Перепад давлений р1—р2 в гидролиниях 1 и 2, вызванный нагрузкой на ГМ, будем рассматривать как внешнее возмущение. Расчетная схема насоса как часть расчетной схемы ГПО показана на рис. 42.



Примем следующие допущения: 1) расходами, обусловленными процессами компрессии и декомпрессии РЖ при прохождении рабочей камеры H через разделительные перемычки распределительного узла, пренебрегаем; 2) температура РЖ постоянная; 3) гидравлическими сопротивлениями и волновыми процессами в гидролиниях пренебрегаем; 4) модуль E РЖ считаем постоянным (не зависящим ни от давления, ни от температуры); 5) работу системы подпитки не учитываем (рсл = 0); 6) мощность приводного двигателя неограниченная; 7) конструкции насоса и ГМ симметричные; 8) вал ГМ абсолютно жесткий; 9) массой РЖ, находящейся в гидролиниях, пренебрегаем; 10) условимся, что расчетная схема, изображенная на рис. 42, соответствует случаю, когда e > 0.

При учете сжимаемости РЖ, находящейся в рабочих камерах насоса, а также утечек и перетечек уравнения для QH1— расхода РЖ, поступающей в гидролинию 1, и QH2 — расхода РЖ, поступающей в насос из гидролинии 2, могут быть записаны в следующем виде:



Рассмотрим составляющие этой системы уравнений:

QHг — геометрическая подача насоса;



где ?? — характерный объем насоса;



VНp — рабочий объем насоса — изменение объема рабочих камер насоса за один оборот его вала при e = 1 (при максимальном отклонении PO); ?? — угловая скорость вала насоса;

QНу1 — расход утечек из отдающей полости насоса; QНу2 — расход утечек из приемной полости насоса;



Здесь сНу — коэффициент утечек насоса; для аксиально-поршневых насосов коэффициент утечек может быть определен по формуле



где mНу = 0,6... 1,2 — коэффициент, зависящий от конструкции насоса; — максимальная подача насоса (при e = 1); ?Н об — объемный КПД насоса; рНОМ — номинальное давление нагнетания насоса;

QHп — расход перетечек (из гидролинии 1 в гидролинию 2) через распределитель;



где — перетечки холостого хода (при ?р = 0), обусловленные неполным заполнением рабочих камер насоса при прохождении ими зоны всасывания, потерями вследствие местных гидравлических сопротивлений на входе в насос, а также кавитационных процессов; определяется экспериментально; сНп — коэффициент перетечек насоса; для аксиально-поршневых насосов





где mНп = 0 … 0, 5 зависит от конкретного конструктивного исполнения распределительного узла насоса;

QН.д1, QН.д2— расходы РЖ, обусловленные сжимаемостью РЖ, находящейся в приемной и в отдающей камерах насоса;



где VH1, VH2 — объемы РЖ, находящейся в приемной и в отдающей камерах насоса; в силу обычной симметричности конструкции насоса VH1 = VH2 = VH; E — модуль упругости РЖ.

Запишем систему уравнений (116) с учетом уравнений (117)— (120):



Уравнения ГМ и гидролиний были рассмотрены в параграфе, посвященном ГПД (см. уравнения (78)—(87), в которых вместо QН1 фигурирует Q11и вместо QH2 — Q22)·

Уравнения (116)—(121) совместно с уравнениями расходов ГМ и гидролиний позволяют записать уравнения расходов для ГПО (система насос – гидролинии – ГМ):



где





Уравнение (122) совместно с уравнениями (85) и (86) позволяет установить зависимость ? от параметра регулирования e с учетом параметров нагрузки и параметров ГПО.

Перейдем к рассмотрению упрощенной математической модели ГПО. Примем допущение, что гидролинии выполнены из одинаковых трубопроводов (ЕПР1 = ЕПР2; VT1 = VT1 = VT). Следовательно, ??1 = ??2 = ??. B силу обычной симметричности конструкций насоса и ГМ V1 = V2 = V.

C учетом последнего допущения и принятых выше обозначений система (122) примет вид



Сложим уравнения системы (123) и результат разделим на два:



Введем обозначения (в соответствии с [1]):

— параметр упругости ГПО;

— параметр герметичности ГПО.

Тогда уравнение (124) примет вид



Или в операторной форме



Если воспользоваться очевидным уравнением Мгм = шгм ?p, то уравнение (126) можно представить в следующем виде:



При e < 0



Объединяя уравнения (128) и (129), получим



Последнее уравнение устанавливает связь между угловой скоростью ? вала ГМ, параметром регулирования e, моментом МГМ нагрузки на валу ГМ и параметрами kГП, kГМ, ТМ и ??0 ???.

Решая совместно уравнения (130), (85) и (86) при сОР = 0, получим



Или с учетом ? = ?p



где



Или с учетом, что kГМ = ? и ТМ = ?/?, получим





B формулах (133) и (134) J = JГМ + JОР/i2; F = FГМ + FОР/i2. Если сОР ? 0, то связь между координатой ? и параметром регулирования может быть описана с помощью следующей формулы:



В соответствии с уравнениями (132) и (135) структурные схемы ГПО могут быть представлены так, как показано на рис. 43.





Рис. 43. Структурные схемы ГПО: а – при сОР = 0; б – при сОР ? 0

Примечание. При анализе динамических характеристик ГПО при e > 0,05 в уравнениях (131), (132) и (135) принимают ??0 = 0. Эту величину учитывают только при изучении статических характеристик ГПО и при расчете динамики специальных режимов работы (на «ползучих» скоростях).

Запишем основные передаточные функции ГПО при MОP.тр = MГМ.тр = 0.







Пример 3. Рассчитать передаточные функции ГПО W1(p) и W2(p).

Основные данные ГПО (см. табл. ?5 прил.): ГПО с регулируемым насосом, параметры которого ?Н = 22,6 см3/рад; ?Н = 150 рад/с; VН1 = VН2 = VН = 45 см3; сНу= 11,8 см3/(МПа·с); сНП = 7 см3/(МПа·с).

Параметры гидромотора: ?ГМ = 11,5 см3/рад; ?max = 314 рад/с; VГМ1 = VГМ2 = VГМ = 30 см3; сГМу= 3,1 см3/(МПа·с); сГМП = 5 см3/(МПа·с); JГМ = 0,06 кг·см2; FГM = 0.

Параметры гидролиний: l = 120 см; d0 = 2,5 см; ? = 0,2 см; EТ = 2,8 ·107 Н/см2; EЖ = 105 Н/см2.

Параметры нагрузки: JОР = 0,3·107 кг·см2; FОР= 2-104 Н·см·с,

Передаточное число редуктора i = 100.

Решение

1. Определим



2. Вычислим коэффициент утечек



3. Рассчитаем коэффициент перетечек



4. Найдем



5. Определим F и J:



6. Рассчитаем



7. Определим



8. Найдем передаточную функцию W1(p) и ее параметры:



9. Вычислим передаточную функцию W2(p) и ее параметры:



Статические характеристики ГПО (регулировочная скоростная, регулировочная моментная и механическая) обычно рассматривают при сОP = 0. Эти характеристики легко получить из уравнения (130) при p = 0:



Регулировочная скоростная характеристика ? = ? (e) определяет функциональную зависимость угловой скорости вала ГМ ГПО в установившемся режиме от параметра регулирования e насоса при отсутствии нагрузки на валу ГМ (МГМ = 0).



Из уравнения (140) находим



График регулировочной скоростной характеристики ГПО приведен на рис. 44, а, где



Значение ? в реальных конструкциях ГПО обычно находится в пределах 0,05 ... 0,1. Причем в начале эксплуатации эта величина имеет наименьшее значение, а затем, в процессе эксплуатации, она увеличивается.

Примечание. Уравнение (141) записано при условии, что FГM = FОР = 0. Если эти коэффициенты не равны нулю, то уравнение (141) трансформируется к виду



Последнее уравнение показывает, что при наличии вязкого трения в ГМ и в OP наклон скоростной характеристики уменьшается.

Регулировочная моментная характеристика МГМ = МГМ(e) определяет функциональную зависимость крутящего момента ГМ в установившемся режиме от параметра регулирования e при ? = 0 (при заторможенном вале ГМ). Уравнение регулировочной моментной характеристики получается из уравнения (140) при ? = 0:





Рис. 44. Статические характеристики ГПО

где kГП = kГМ = kМ коэффициент усиления по моменту, или



При срабатывает предохранительный клапан и уравнение (145) принимает вид



или



где kкл — характеристика предохранительного клапана.

Регулировочная моментная характеристика ГПО изображена на рис. 44, б, где



Примечание. B уравнениях (145) и (146) мы не учитывали момент трения МОРтр в OP и постоянный возмущающий момент MВ = const. Если учесть эти моменты, то уравнение (146) примет следующий вид:



Последнее уравнение показывает, что постоянный возмущающий момент и момент трения в OP увеличивают зону нечувствительности в регулировочной моментной характеристике ГПО (так же будет влиять на зону нечувствительности и момент трения МГМтр в ГМ).

Механическая характеристика ГПО определяет функциональную зависимость угловой скорости ? вала гидромотора в установившемся режиме от параметра регулирования е и от момента МГМ на валу ГМ:



Уравнение (147) записано для случая Если то уравнение (147) принимает вид



График механической характеристики ГПО представлен на рис. 44, в. Наклон характеристик к оси абсцисс определяется коэффициентом kГМ, который зависит от параметра герметичности ? = ?(сП, сУ).



При МГМ=1 срабатывает предохранительный клапан, и наклон механической характеристики к оси абсцисс резко увеличивается (угловая скорость уменьшается).

Следует отметить, что наклон механической характеристики неодинаков при различных значениях e, что объясняется нелинейной зависимостью проводимости предохранительного клапана от расхода протекающей через него РЖ «Помогающая» нагрузка (МВ = const) увеличивает .

Механическая характеристика определяет весь диапазон изменения скоростей и моментов ГПО и позволяет выбрать ГПО по диаграмме нагрузки (см. п. 2 гл. 1). Как правило, ГПО выбирают так, чтобы его механическая характеристика охватывала диаграмму нагрузки с определенным запасом. Ресурс работы ГПО рассчитывают для номинальных значений скорости ???? = (0,6 ... 0,8)?max и момента . Следует отметить, что выбор механической характеристики по диаграмме нагрузки — это только необходимое условие, но не достаточное для обеспечения заданных требований по динамической и статической точности работы следящей системы с ГПО. Окончательный выбор ГПО проводится, если это потребуется, после синтеза следящей системы.

Механическая характеристика позволяет определить полезную мощность ГПО



Коэффициент полезного действия ГПО определяют с учетом потерь мощности (в ваттах) при работе системы подпитки



где QП— расход насоса системы подпитки, см3/с; ?рП — перепад давлений системы подпитки, МПа; ?П — КПД насоса системы подпитки, обычно ?П = 0,6 ... 0,9.

С учетом работы системы подпитки общий КПД ГПО находится в пределах 0,8 ... 0,9.

Зная общий КПД ГПО, по известной полезной мощности N можно определить количество выделяемой ГПО теплоты в килокалориях в час (ккал/ч):



Зная Q, можно провести тепловой расчет ГПО (определить максимальную температуру ГПО)



где t0 — начальная температура (температура окружающей среды); kТП — коэффициент теплопередачи элементов конструкции ГПО, kТП = (30 ... 40) кДж/(ч·м2); FТП — площадь поверхности ГПО; Fоб — площадь поверхности теплообменника.

Назад | Содержание

| Вперед

Гидравлические корректирующие устройства

9.6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

При необходимости введения корректирующих OC и ГСП эти связи в некоторых случаях — ГСП (ДМ), ГСП (OM) — проще реализовать с помощью гидромеханических КУ (ГКУ). При этом существенно упрощается электрическая часть СП и, как следствие, повышается надежность его работы.

В ГСП, как и в электрических СП, реализация OC по ускорению затруднительна, так как во многих случаях (в приводах мобильных машин) трудно выделить сигнал ускорения объекта регулирования на фоне сигнала ускорения мобильной машины. Поэтому применяют косвенные методы получения информации по ускорению в виде перепада давлений в полостях ГИУ.

Известно, что для ГИУ, имеющего инерционную нагрузку, справедливы следующие уравнения:

для ГИУ в виде ГЦ

для ГИУ в виде ГМ

откуда

Рис. 117. Принципиальные схемы гидравлических КУ

В ГСП наибольшее распространение получили ГКУ по перепаду давлений в полостях ГИУ, реализующие отрицательную или положительную жесткую или гибкую OC по ускорению. Наиболее простое ГКУ, обеспечивающее жесткую отрицательную OC по перепаду давлений на выходной каскад двухкаскадного ЭГУ, показано на рис. 117, а. Перепад давлений между рабочими полостями ГИУ подается в камеры A и Б и воздействует на торцы золотника 1, алгебраически суммируясь с управляющим перепадом давлений, подаваемым от гидравлического мостика сопло-заслонка 2 в камеры C и Д. Структурная схема гидропривода с жесткой отрицательной OC по перепаду давлений изображена на рис. 118, а.

Жесткая OC по перепаду давлений, увеличивая демпфирующие свойства ГИУ и запас устойчивости замкнутого контура ГСП, одновременно уменьшает жесткость привода к внешней нагрузке и увеличивает рассогласование. Для исключения этого недостатка применяют гибкую OC по перепаду давлений ?р.

Принципиальная схема ГКУ, реализующего такую OC на выходной каскад двухкаскадного ЭГУ, дана на рис. 117, б. Принцип работы ГКУ следующий. Дроссели 1 и 3 отрегулированы так, что в статическом режиме давления в плоскостях A и Б равны 0,5(рн + pсл). Ha малых частотах, когда изменение перепада давлений ?р происходит медленно, расходы РЖ (обусловленные движением поршней 4) в гидролиниях m и n малы по сравнению с постоянным расходом РЖ, протекающей через дроссели 1 в камеры A и Б и далее через дроссели 3 в сливную гидролинию.

рис. 117, г). Частотный фильтр в схемах ГКУ, изображенных на рис. 117, б и г, выполнен по упрощенной схеме, которая, хотя и менее точно, реализует передаточную функцию вида , но проще по конструкции, и для ее работы не требуется дополнительный (непроизводительный) расход РЖ.

B некоторых случаях необходимо менять знак корректирующей OC. Например, для исключения ошибки по выходной координате ГИУ при статической нагрузке и нежесткой связи ГИУ с объектом регулирования, а также для увеличения демпфирования ГСП на резонансных частотах применяют ГКУ (рис. 117, д), реализующее положительную OC по перепаду давлений на малых частотах и отрицательную OC по перепаду давлений на больших частотах. Корректирующее воздействие подается на ЭМП 2 в виде момента на его валу от деформации плоской пружины 5 вследствие смещения корректирующего золотника 3.

Ha малых частотах давление в полости C равно давлению p1 в полости Б, а давление в полости Д равно давлению р2 в полости A. Дифференциальная площадь поршня корректирующего золотника 3 (в полостях C и Д) больше площади торцов корректирующего золотника (в плоскостях A и Б).

Если р1 > р2 (?р > 0), то в статическом режиме корректирующий золотник смещается вправо и создает посредством плоской пружины 5 положительную обратную связь по ?р на ЭМП, что обеспечивает компенсацию статической погрешности от постоянной нагрузки на ГИУ. При динамических процессах за счет увеличения расхода РЖ через дроссели 1, вызванного увеличением скорости движения поршня 4, давление в камере C будет отличаться от давления р1, а давление в камере Д — от давления р2, в то время как давления в камерах A и Б будут равны р1 и р2. Искажения давлений и с ростом частоты достигают таких значений, что при р1 > р2 корректирующий золотник будет совершать движение влево; знак OC по перепаду давлений изменится, и корректирующая OC обеспечит необходимое демпфирование ГСП.

Назад | Содержание

| Вперед

Индукционные измерители рассогласования

4.4. ИНДУКЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ РАССОГЛАСОВАНИЯ

В качестве ИР переменного тока широкое применение получили устройства трансформаторной синхронной передачи на электрических индукционных микромашинах типа сельсинов и вращающихся трансформаторов (BT).

ИР на сельсинах (рис. 49, а) состоит из двух сельсинов: сельсина-датчика BC и сельсина-приемника BE. К источнику питания переменного тока подключена только обмотка возбуждения сельсина-датчика. Сельсин-приемник возбуждается переменным магнитным потоком Фв, создаваемым фазными напряжениями сельсина-датчика, передаваемыми сельсину-приемнику по трехпроводной цепи синхронизации. Однофазная обмотка сельсина-приемника служит для выработки сигнала рассогласования. Условно-графическое изображение схемы на бесконтактных сельсинах в соответствии с ГОСТ 2.722—68 дано на рис. 49, б.

B момент согласования, характеризуемого взаимно перпендикулярным расположением осей однофазных обмоток сельсинов, суммарный магнитный поток приемника перпендикулярен оси выходной обмотки сельсина-приемника и напряжение рассогласования t/? = 0. При наличии рассогласования механический поворот ротора сельсина-датчика преобразуется в поворот магнитного потока сельсина-приемника. Этот поток пронизывает однофазную управляющую обмотку, с которой снимается напряжение, характеризующее отклонение сельсинов от положения согласования:

где Umax — максимальное напряжение синхронизации.

Применение BT в качестве формирователей сигнала управления обусловлено повышением требований к точности СП, так как схемы на BT обеспечивают более точное преобразование угла рассогласования. Чаще всего измерение выполняют с помощью двух BT (TC и TE), включенных по трансформаторной схеме (рис. 49, в) и работающих аналогично ИР на сельсинах. Схема на BT вырабатывает напряжение рассогласования

где UП—напряжение питания; kТ—коэффициент трансформации между обмоткой возбуждения и вторичной обмоткой.

Сельсины и BT выпускаются в контактном и бесконтактном исполнении, корпусные и бескорпусные, с различными напряжениями возбуждения и на различные частоты.

Повышение частоты питания позволяет уменьшить размеры датчиков.



Рис. 49. Индукционный ИР

Выходное напряжение ИР на сельсинах и BT является непрерывной функцией угла рассогласования ? и содержит информацию, необходимую для управления СП. Статическая характеристика индукционного ИР, построенная по выражениям (151) и (152), носит нелинейный характер (рис. 49, г). Это противоречит общим требованиям к линейности характеристик измерительных устройств и приводит к появлению таких недостатков, как непостоянство крутизны характеристики и изменение фазы выходного напряжения не только при смене полярности, но и в зависимости от значения сигнала рассогласования. Как следует из рис. 49, г, изменение фазы, а вместе с ней и направления отработки ИД происходит в точках 0, 180 и 360°, характеризуемых нулевыми значениями выходного напряжения.

При рассогласованиях, меньших ± 180°, направление отработки ИД (на рис. 49, г показано стрелками) способствует устранению рассогласования, и привод автоматически приходит в положение устойчивого равновесия при ? = 0°. При рассогласовании ? = 180° направление отработки зависит от колебания напряжения в системе: при незначительном увеличении напряжения ИД отрабатывает сигнал рассогласования к 0°, а в случае уменьшения напряжения — к 360°. Это определяет положение неустойчивого равновесия системы, т. e. точка 180° характеризуется как неустойчивый нуль HH. При рассогласованиях, превышающих 180°, направление отработки ИД таково, что привод будет стремиться к устойчивому нулю УН, каким является угол 360°. B принципе это будет тоже положение ? = 0°, но достигается оно разворотом всего привода на 360°, что недопустимо с точки зрения начальной выставки приборов, закрутки жгутов и т. д.

Из трех рассмотренных положений согласования СП только положение ? = 0° является точкой устойчивого равновесия и истинным нулем привода.

Приводы, в которых в качестве измерителя рассогласования используются индукционные микромашины, обладают свойством самосинхронизации в пределах ? = ±180°.



Заметим, что наличие в системе таких больших рассогласований исключается самим режимом работы СП. Они возможны только в моменты включения привода, в режиме переброски или в случае, когда перемещение входного вала происходит при выключенном питании. Нормальный режим работы СП можно ограничить рабочей зоной ? = ±10°, в пределах которой характеристика линейна, обладает наибольшей крутизной и допустима замена sin ? = ?.

Заменяя в выражениях (151), (152) sin ? = ?, получаем



где k? — коэффициент преобразования, определяемый как приращение выходного напряжения при изменении угла рассогласования на 1°: .

Для сельсинов



для BT



Обычно чувствительность сельсинов составляет 50 ... 70 В/рад, а иногда может достигать 100 В/рад.

Погрешности трансформаторных схем измерения, характеризуемые остаточным напряжением на выходной обмотке при ? = 0°, так же как и погрешности потенциометрических схем, носят статический или динамический характер.

1. Как следствие несогласованности сопротивления приемника и нагрузки возникает методическая погрешность. В схемах на BT эту погрешность, вызванную поперечным потоком якоря при нагружении BT, можно уменьшить путем замыкания квадратурной обмотки накоротко (первичное симметрирование) или одинакового нагружения синусной и косинусной обмоток (вторичное симметрирование) BT. При этом поперечный поток компенсируется потоками, возникающими в квадратурной или косинусной обмотке.

При учете сопротивления нагрузки ZH выходное напряжение для ИР на сельсинах



где ZВЫХ — выходное сопротивление сельсина-приемника. Как видно из (156), крутизна измерительной схемы с уменьшением ZH падает. Влиянием нагрузки можно пренебречь, выбирая ZH >> ZВЫХ.

2. Статическая погрешность следования в дистанционной передаче зависит от технологических инструментальных погрешностей: неточности взаимного расположения обмоток и их не идентичности, асимметрии и не перпендикулярности обмоток, наличия эксцентриситета, а также от изменений внешних условий (температуры, напряжения и частоты источников питания).



Максимальную погрешность определяют по дополнительному углу поворота ротора приемника от положения согласования, необходимому для ликвидации остаточного напряжения на выходе измерительной схемы.

Для облегчения подбора пар сельсинов и BT их подразделяют на классы точности в зависимости от средней инструментальной погрешности, определяемой как полусумма максимальных погрешностей при вращении датчика по часовой стрелке и против:



Технические данные индукционных преобразователей с указанием средней максимальной погрешности для различных классов точности приведены в табл. ?7, ?8 прил. Выпускаемые промышленностью BT обеспечивают большую инструментальную точность по сравнению с сельсинами благодаря особой технологии изготовления пластин магнитопровода.

3. Скоростная (динамическая) погрешность обусловлена наличием ЭДС вращения и зависит от частоты вращения сельсинов. Эта погрешность определяется выражением



где U’max — амплитуда погрешности; ? — несущая частота; ? — угол сдвига по фазе напряжения погрешности относительно выходного напряжения сельсина-приемника и ВТ-приемника.

Совпадающая по фазе с полезным сигналом синфазная составляющая U’max sin?t·cos? может быть скомпенсирована соответствующим поворотом ротора приемника. Сдвинутая по фазе на 90° квадратурная составляющая U’max cos?t·sin? не поддается компенсации и увеличивает нагрев ИД и насыщение усилителя. Квадратурная погрешность зависит от соотношения между частотой вращения сельсинов n и несущей частотой ?. При n < ? скоростной погрешностью можно пренебречь. Ho если эти частоты соизмеримы, то погрешность значительна. Например, погрешность у сельсинов с частотой питания 50 Гц достигает 1 ... 2° при частоте вращения 300 мин-1, у сельсинов с частотой питания 500 Гц при той же частоте вращения она составляет 0,06°.

Таким образом, одним из способов снижения квадратурной погрешности является уменьшение рабочей частоты вращения сельсинов, но при учете требований ТЗ. Другой способ устранения квадратурной погрешности — применение в усилителе СП фазочувствительного каскада, обладающего свойством не пропускать сигналы, сдвинутые на 90° относительно полезной составляющей.

4. Дополнительная динамическая погрешность появляется от высших гармоник и сдвинута относительно напряжения питания также на 90°. Для уменьшения этой составляющей применяют фильтры, подавляющие гармонические составляющие сигнала рассогласования.

Назад | Содержание

| Вперед

Испытательное оборудование и аппаратура

18.3. ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА

Комплекс испытательного оборудования и аппаратуры для проведения всех видов испытаний СП состоит из следующих основных частей: управляющей и контролирующей аппаратуры; оборудования для механических испытаний; оборудования для климатических испытаний; стендовых систем имитации нагрузки; стендовых систем гидропитания (для ГСП).

Управляющая и контролирующая аппаратура может входить в состав специализированного пульта контроля и управления СП или быть сформированной из стандартных универсальных приборов, подключаемых как к пульту СП, так и к различным датчикам привода.

В качестве примера стандартных универсальных приборов можно привести такие приборы, как задатчики стандартных управляющих сигналов, шлейфовые осциллографы, электронные осциллографы, частотные анализаторы типа «Солартрон», мегомметры, цифровые вольтметры и т. п.

Как правило, в практике используется комбинация специализированного пульта контроля СП со стандартной аппаратурой. Например, ЛАФЧ СП определяют с помощью генератора синусоидальных сигналов, подключаемого к пульту контроля СП, и шлейфового осциллографа, на который подаются управляющий сигнал и сигнал с датчика выходного звена СП.

В последние годы для определения ЛАФЧХ применяют специальные частотные анализаторы, включающие как генератор синусоидальных сигналов, так и специализированный микропроцессор, вычисляющий фазовый сдвиг и амплитудные искажения. Прибор снабжен цифровым индикатором и графопостроителем. Использование частотного анализатора позволяет существенно сократить время испытаний и повысить их точность.

Виброиспытания СП проводят на стандартных вибростендах (электродинамических, кинематических, электрогидравлических и инерционных), обеспечивающих заданные частоты и амплитуды (или ускорения) колебаний платформы, на которой крепится СП. Для измерения ускорений используют акселерометры пьезоэлектрического или индукционного типов. В качестве примера можно привести электродинамический стенд «Эртквейк» фирмы «Нортон». (Англия), работающий в диапазоне частот 5 ... 600 Гц с амплитудой до 1,2 мм и максимальным ускорением до 55g.

Масса нагрузки не более 450 кг.

Инерционный вибростенд ВС-350 фирмы «Кабель» ГДР работает в диапазоне частот 10 ... 70 Гц с амплитудой до 1 мм при ускорении до 7g. Масса нагрузки до 350 кг.

Для проведения испытаний СП на ударную прочность служат ударные стенды, создающие ударные ускорения в вертикальном направлении. Значение ударного ускорения определяется с помощью пьезоэлектрического акселерометра или датчика пиковых ускорений. Длительность импульса фиксируется и определяется либо с помощью шлейфового, либо электронного осциллографов.

В технике используются стенды, обеспечивающие ударные ускорения 15 ... 600 g с длительностью импульса 0,05 ... 100 мс и рассчитанные на грузоподъемность до 1000 кг.

Испытания на линейные перегрузки обычно проводят на центрифугах, вращающихся в горизонтальной плоскости. Для обеспечения динамической уравновешенности нагруженной центрифуги со стороны, противоположной испытываемому СП, устанавливается противовес. Центрифуги снабжены специальными коллекторами для подвода электрического питания к испытуемому СП и для снятия сигналов с различных датчиков СП. Применяемые в технике центрифуги обеспечивают линейные ускорения 25 ... 200 g для грузов с массой не более 200 кг.

Для испытаний на транспортабельность используют обычные вибростенды и ударные стенды. Иногда для этих испытаний применяют специальные установки, имитирующие транспортные нагрузки на СП. Испытание СП на теплоустойчивость и холодоустойчивость проводятся в специальных камерах, температура в которых создается с помощью специальных устройств. При испытании на теплоустойчивость ГСП иногда применяют специальные (электрические) подогревательные элементы, устанавливаемые в систему гидропитания.

Другие виды климатических испытаний проводятся в специализированных камерах.

Стендовые системы имитации нагрузки по типу нагружающего устройства подразделяются на механические, пневматические, гидравлические и комбинированные. По принципу действия системы имитации нагрузки делят на активные и пассивные.



Активные системы имеют свой источник энергии, пассивные не имеют. Активные системы создают нагрузку на выходном звене СП как при его движении, так и в покое. Пассивные системы создают нагрузку только при движении выходного звена СП.

Следует отметить, что из всех видов систем имитации нагрузки наиболее перспективной является гидравлическая активная система. Рассмотрим кратко принципиальную схему такой системы (рис. 182) применительно к ЭГСП (Д).

Суммарное усилие на штоке ГЦ описывается уравнением



Если известны законы изменения ??(t), ?н.тр(t), ?ГЦ.тр(t) и есть информация о d2xп/dt2, dx/dt и xп то для любого момента времени можно вычислить ??.



Рис. 182. Схема гидравлической системы имитации нагрузки

Ha стенде в качестве нагружателя используется ЭГСП (Д), работающий в режиме следящего привода по усилию, на вход которого подается управляющий сигнал, соответствующий значению ??, вычисленному с помощью приведенного выше уравнения с учетом



В процессе испытаний на электрический вход управляющей аппаратуры СП испытуемого ЭГСП подается сигнал управления Uупр, который сравнивается с сигналом обратной связи Uoc, снимаемым с потенциометра 1 обратной связи. В результате вырабатывается сигнал рассогласования, который усиливается в электронном усилителе мощности и подается на вход в ЭГУ СП (Uупр). В результате выходное звено 2 ГЦ СП совершает движение по заданному закону. При движении выходного звена СП с датчиков скорости 3 и ускорения 4 снимаются сигналы и которые совместно с сигналом с потенциометра обратной связи и с сигналом, пропорциональным РВ (t), подаются на вход вычислителя, где определяется значение сигнала U??, пропорциональное значению ??. Сигнал с выхода вычислителя подается на вход управляющей аппаратуры ЭГСП нагружателя, где он алгебраически суммируется с сигналом обратной связи по усилию на поршне ГЦ 6 нагружателя (например, с дифференциального датчика давлений 5).



Рис. 183. Схема стендовой системы гидропитания

Сигнал рассогласования подается на вход ЭГУ нагружателя (ЭГУ СПН).



При сформированном таким образом контуре ЭГСП нагружателя на его выходном звене реализуется заданный закон нагружения для испытуемого ЭГСП.

При всех видах рассмотренных в данной главе испытаний ГСП необходимо обеспечивать заданные параметры гидропитания, для чего служат стендовые системы гидропитания (ССГП). K ССГП помимо требований обеспечения заданного расхода рабочей жидкости и заданных давлений нагнетания и слива предъявляются следующие требования: обеспечение заданных степени очистки рабочей жидкости, интервала температуры рабочей жидкости, заданной динамики подачи рабочей жидкости при резких перекладках выходного звена ГСП (при ступенчатых управляющих сигналах). Кроме того, ССГП не должна допускать чрезмерного (сверх нормированного) содержания воздуха в рабочей жидкости. Обычно содержание нерастворенного в рабочей жидкости воздуха не должно превышать 1 %.

Принципиальная схема типичной стендовой системы гидропитания приведена на рис. 183. Насос 2 с переменной подачей с обратной связью по давлению приводится во вращение от электромотора 1. Ha выходе из насоса установлен обратный клапан 3, предназначенный для того, чтобы после выключения электромотора рабочая жидкость, находящаяся под давлением газовой полости гидроаккумулятора 4, не раскручивала бы насос. Давление зарядки в гидроаккумуляторе контролируется манометром 5.

В насос рабочая жидкость поступает из бака 17, к которому через штуцер 18 подводится азот (или воздух) под определенным давлением для обеспечения бескавитационной работы насоса (обычно 0,1 ... 0,25 МПа).

В магистрали нагнетания установлен гидроаккумулятор 4, предназначенный для сглаживания пульсаций расхода и давления и для уменьшения провалов давления при резких перекладках выходного звена испытуемого ГСП 10. После гидроаккумулятора в магистрали нагнетания устанавливается один или последовательно несколько фильтров 6 тонкой очистки рабочей жидкости. Из измерительных приборов в магистрали нагнетания размещены датчик температуры 7 (термопара) и датчик давления 8 (или манометр).В сливной магистрали на выходе из испытуемого ГСП 10 имеется предохранительный клапан 11, обеспечивающий необходимое давление слива, контролируемое с помощью манометра 12 или датчика давления. Для сброса давления из магистрали нагнетания предусмотрен перепускной кран 9. Для охлаждения рабочей жидкости на входе в бак 17 установлен водяной радиатор 16. Температура рабочей жидкости регулируется с помощью дозирующего клапана 15, который управляет соотношением расходов рабочей жидкости, идущей через радиатор и мимо него.

Дозирующий клапан 15 может управляться дистанционно или вручную. Ha линии, подводящей рабочую жидкость в бак, установлен дополнительный фильтр 13. Для контроля и измерения расхода рабочей жидкости в систему встроен датчик расхода 14.

Назад | Содержание

| Вперед

Измерители рассогласования ha потенциометрах

4.3. ИЗМЕРИТЕЛИ РАССОГЛАСОВАНИЯ HA ПОТЕНЦИОМЕТРАХ

Потенциометрические схемы предназначены для измерения линейного или углового рассогласования с преобразованием на постоянном или переменном токе. С этой целью используют потенциометры однооборотные с ограниченным (в пределах 350°) и неограниченным углами поворота, а также многооборотные.

Для дистанционного управления используют два потенциометра, кинематически связанных с задающей и исполнительной осями СП. Потенциометры электрически могут быть включены по мостовой (рис. 48, а) или трехпроводной (рис. 48, б) измерительной схеме. При согласованном положении задающей и исполнительной осей (? = ?) мост, образованный передающим RC и принимающим RE потенциометрами, уравновешен, и выходное напряжение U?, снимаемое с измерительной диагонали моста (со щеток), равно нулю. При перемещении щетки потенциометра RC на угол ?, а щетки потенциометра RE на угол ? = ? + ?, где ? — угол рассогласования (погрешность), мост выходит из равновесия, и на выходе схемы появляется сигнал, пропорциональный значению рассогласования.

Рис. 48. Потенциометрический ИР

Для СП применяют датчики угла поворота типа ПД, ПП, отличающиеся от ПД наличием концевых выключателей, ПТП, а также прецизионные ПЛ1-1, ПЛ1-2. Технические данные некоторых потенциометров приведены в табл. 1. Для расширения диапазона работы СП применяют круговые потенциометры типа ПК (двухщеточные) или ПКЗ (трехщеточные) с неограниченным вращением движка и тремя или четырьмя отводами.

Трехпроводная измерительная схема на потенциометрах с питанием через связанные с задающей осью СП подвижные контакты потенциометра-датчика RC показана на рис. 48, б. Благодаря равномерности намотки потенциометра диаграмма распределения потенциалов по секциям потенциометра RC симметрична (рис. 48, в), а положение максимума потенциала соответствует плюсу источника питания, если за точку с потенциалом, равным нулю, принят минус источника питания. Трехпроводная схема обеспечивает аналогичное распределение потенциалов и на потенциометре RE.

Очевидно, что снимаемое со щеток RE напряжение U? будет равно нулю только в том случае, если щетки потенциометров находятся в равнопотенциальных точках.

таблица 1



Технические данные потенциометров

Параметр	пд, пп	ПЛ1-1	ПЛ1-2	пк
Диапазон изменения рабочего угла ...°	320	320	320	Не ограничен
Сопротивление реостата, кОм	0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5; 3,15; 4	0,5; 0,75; 1,5; 2; 5; 7,5; 15	I; 3; 10; 20	1,6
Допустимая мощность рассеяния, Вт	5	2	—	—
Число витков обмотки на дуге Г	1 ...3	—	—	2,63
Необходимый вращающий момент, H·м х 104	20	25	40	—

Как видно из указанных диаграмм, это условие выполняется при взаимно перпендикулярном положении щеток потенциометров RC и RE. Это положение, являющееся положением согласования потенциометров, достигается при настройке схемы разворотом щеток потенциометра RE на угол 90° по отношению к щеткам потенциометра RC. При отсутствии рассогласования щетки потенциометров RC и RE перпендикулярны и U? = 0. При повороте задающей оси (при появлении сигнала рассогласования) механическое перемещение щеток RC вызывает вращение обеих потенциальных диаграмм. Неподвижные щетки RE окажутся в точках с разными потенциалами и с них снимается напряжение сигнала рассогласования.

При нагрузках, значительно превышающих сопротивление потенциометров, рассмотренные выше схемы ИР обеспечивают линейную зависимость выходного напряжения — сигнала рассогласования:



Статическая характеристика 1 в этом случае (режим холостого хода) является прямолинейной (рис. 48, г). Коэффициент преобразования, определяемый отношением напряжения рассогласования к углу рассогласования , зависит от подведенного к схеме напряжения питания UП и рабочего диапазона потенциометра ?max.

таблица 2



Классы точности потенциометров

Класс точности	Допустимое отклонение по линейности, °	Точность воспроизведения функции, %	Примечание
1	— 0,25	— 0,2	Для особо точных систем
2	— 0,50	— 0,5	Для серийных систем
3	— 1,00	— 1,0

<



/p>

Для нормального функционирования схемы необходимо, чтобы рабочие диапазоны передающего RC и принимающего RE потенциометров были равны .

Погрешности потенциометрических ИР зависят от многих причин и их делят на статические и динамические погрешности.

1. Статическая погрешность складывается из методической и инструментальной составляющих. Методическая погрешность появляется при условии, что сопротивление нагрузки RН соизмеримо с сопротивлением потенциометров и оказывает шунтирующее действие. Для схемы, представленной на рис. 48, а, выходное напряжение в этом случае определяется соотношением



где ? — угловое положение щетки потенциометра RC; ? = RН/Rmax — коэффициент нагрузки; Rmax — максимальное сопротивление потенциометров.

Статическая характеристика (кривая 2 на рис, 48, г) носит нелинейный характер. Погрешность от несогласованности сопротивлений и нагрузки ?U растет с уменьшением ?.

Методическую погрешность можно уменьшить включением на выходе ИР элемента с высоким входным сопротивлением (эмиттерного повторителя или повторителя напряжения).

Статическая инструментальная погрешность обусловлена производственными допусками и конструктивными факторами: зазорами, неравномерностью намотки, ступенчатостью характеристики, зоной нечувствительности. По инструментальной погрешности назначаются классы точности потенциометров (табл. 2), Для получения необходимых характеристик в качестве датчика и приемника следует выбирать потенциометры одного класса точности.

2. Динамическая погрешность проявляется в виде шумов, возникающих за счет мгновенного нарушения контактов при переходе движка с витка на виток и при больших скоростях отработки управляющего воздействия.

Назад | Содержание

| Вперед

Электрические исполнительные устройства

3.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

В качестве электрических ИУ используются регулируемые электродвигатели постоянного и переменного тока, а также нерегулируемые электродвигатели в сочетании с управляемыми электромагнитными муфтами. Каждый из перечисленных типов устройств обладает определенными достоинствами и недостатками, что необходимо учитывать при выборе области их применения.

Электрические двигатели постоянного тока. Рассмотрение электродвигателей как элементов системы управления проводится в предположении, что принцип их действия и конструкция известны из курсов электрических машин и элементов автоматики.

B СП применяют в основном коллекторные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением серий МИ, ДИ, П, СЛ, СД, Д и с возбуждением от постоянного магнита серий ДПР, ДПМ, ДП, МИГ, MPM, ПЯ. Вследствие особой конструкции якоря электродвигатели серий ДПР (с полым немагнитным якорем), МИГ (с цилиндрическим гладким якорем), MPM и ПЯ (с дисковым печатным якорем), отличающиеся высоким быстродействием, находят применение в маломощных СП постоянного тока.

Особо следует выделить двигатели с дисковым якорем и печатной обмоткой серий MPM и ПЯ Как видно из рис. 23, эти двигатели выполняются не с цилиндрическим воздушным зазором, а с плоским. Ha обеих сторонах якоря 5, представляющего собой тонкий немагнитный диск, печатным способом нанесены плоские обмотки 4, соединенные между собой гальваническими заклепками 3. Поток возбуждения создается магнитами 1. Роль коллектора выполняют неизолированные участки проводников, по которым непосредственно скользят серебряно-графитовые щетки 2. Это упрощает изготовление двигателей и обеспечивает безыскровую коммутацию.

Рис. 23. Двигатель с печатной обмоткой

Получение роторных обмоток методом печатного монтажа наряду с упрощением технологии изготовления двигателей позволяет снизить момент инерции ротора. Благодаря указанному свойству эти двигатели обладают постоянными времени, на порядок меньшими, чем у двигателей обычного исполнения, и допускают ускорения до 5 · 102 м/c2.

Повышение требований к надежности и удельной мощности СП привело к созданию бесконтактных двигателей постоянного тока, характеризуемых отсутствием механических скользящих контактов. В бесконтактном двигателе (рис. 24) коммутация секций w1 — w3 обмотки, расположенной на статоре двигателя M, осуществляется транзисторными ключами VT1—VT3 коммутатора по сигналам датчика положения B ротора. В положении, указанном на рис. 24, сигнал с чувствительного элемента B1, находящегося в поле управляющего магнита (на рисунке заштрихован), жестко связанного с ротором, открывает ключ VT1. Выводы обмотки w1 оказываются подключенными к источнику питания Uу. Ток, протекающий по обмотке, создает магнитный поток, взаимодействующий с полем постоянного магнита, и ротор поворачивается по часовой стрелке. Ключ VT1 закрывается, обмотка w1 обесточивается, но одновременно появляется сигнал с элемента B2, к которому подойдет магнит, и открывается ключ VT2 и т. д.



Рис. 24. Принципиальная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

Рассмотренный бесконтактный двигатель по принципу работы является аналогом коллекторного двигателя благодаря наличию позиционной OC, осуществляемой датчиком положения ротора. Ho применение полупроводникового коммутатора улучшает условия коммутации и открывает новые возможности построения схем управления и регулирования частоты вращения бесконтактного двигателя по сравнению с коллекторными двигателями.

Управление ИД постоянного тока осуществляется подачей регулируемого напряжения на обмотку якоря (рис. 25, а) — якорное управление или на обмотку возбуждения — полюсное управление. ИД с возбуждением от постоянного магнита имеют только якорное управление (рис. 25, б).

При полюсном управлении (рис. 25, в) на обмотку якоря постоянно подается номинальное напряжение UB от независимого источника питания. Управление частотой вращения ИД осуществляется за счет изменения напряжения управления UУ на зажимах обмотки главных полюсов. Изменение направления потока Фу в обмотке управления происходит с помощью преобразователя U, в качестве которого применяют генераторы, электромашинные усилители, реверсоры (ключевые усилители).



Ho так как при управлении по цепи возбуждения нельзя обеспечить требуемых пусковых качеств и достаточной жесткости механической характеристики в широком диапазоне регулирования, то это управление применяют редко.



Рис. 25. Схемы управления ИД постоянного тока

При управлении по цепи якоря (см. рис. 25, а) сигнал управления UУ поступает на якорную обмотку ИД с усилителя мощности, в качестве которого используют электронные, электромашинные и тиристорные усилители (рис. 26).

C помощью схемы ЭМУ—ИД (рис. 26, а) осуществляется непрерывное регулирование скорости двигателя M. Так как обмотки управления ЭМУ включены дифференциально, то при отсутствии сигнала рассогласования разностный магнитный поток управления ФУ = 0, ЭМУ не возбужден и двигатель находится в состоянии покоя. Возникновение разностного потока приводит к появлению выходного напряжения ЭМУ и вращению ИД в сторону, определяемую знаком рассогласования, со скоростью, зависящей от значения ошибки рассогласования.

Схема мостового выходного каскада на транзисторах (рис. 26, б) с включенным в диагональ ИД позволяет осуществлять как непрерывное, так и дискретное управление в зависимости от режима работы транзисторов. При непрерывном способе транзисторы работают в линейном режиме. В исходном состоянии схемы транзисторы закрыты, и якорь двигателя M обесточен. При подаче входного сигнала определенного знака открываются транзисторы противоположных плеч, например VT1 и VT4, и no цепи (+UП) — VT4 — якорь M — VT1 — (—UП) начинает протекать ток, создающий момент вращения определенного направления. При рассогласованиях противоположного знака открываются транзисторы VT2, VT3 и вращение ИД происходит в противоположную сторону. Схема применяется для управления двигателями мощностью не более 100 Вт, что обусловлено большими тепловыми потерями, связанными с непрерывным режимом работы транзисторов.



Рис 26. Схемы включения ИД постоянного тока

Импульсный метод регулирования позволяет облегчить режим работы транзисторов и повысить мощность выходного каскада до нескольких киловатт.



В этом случае рассматриваемая схема работает в режиме переключения, выдавая на ИД серию импульсов, длительность которых зависит от сигнала рассогласования. При действии импульса двигатель разгоняется, а в его отсутствие — тормозится. Вал ИД приобретает среднюю скорость, зависящую от соотношения длительностей импульса и паузы. Для устранения колебаний скорости (получения непрерывного вращения вала) частоту переключений делают как можно большей. При этом двигатель как инерционный элемент выполняет роль восстановителя непрерывного сигнала по его дискретным значениям. Импульсное регулирование обеспечивает нормальный тепловой режим работы ИД, так как он нагревается только в течение времени длительности импульса.

Мостовая схема на тиристорах (рис. 26, в) позволяет осуществлять дискретное регулирование скорости ИД при коммутации токов до нескольких сотен ампер и напряжениях до тысячи вольт.

Для обеспечения вращения ИД в одну сторону управляющие импульсы с выхода усилителя подаются на одну из тиристорных групп, например VS1 — VS6. Ток от положительной фазы напряжения питания UП замыкается через включенный в этот момент тиристор группы VS4 — VS6, якорь двигателя, тиристор группы VS1—VS3 на отрицательную фазу питающего напряжения. Регулирование частоты вращения ИД обеспечивается за счет изменения времени включения тиристоров, т. e. времени подключения двигателя к источнику питания. Реверс ИД осуществляется подачей управляющих импульсов на тиристоры VS7 — VS12 другой группы. Схемы применяют для управления ИД мощностью до 100 кВт.



Основные параметры и характеристики ИД постоянного тока. Момент, развиваемый двигателем при подаче напряжения управления, определяется током, протекающим по цепи якоря:



где сМ — коэффициент момента, Н·м/А; Iа — ток, протекающий по цепи якоря, A.

Угловую скорость якоря ИД в установившемся режиме находят из уравнения электрического равновесия



где Ra — активное сопротивление цепи якоря, Ом; E = се? — противоЭДС, B; се - коэффициент противоЭДС, В·с/рад.



Отсюда



Основными характеристиками ИД постоянного тока являются механическая M=f(U, ?) и регулировочные — по скорости ? = f(U) и по моменту M = f (U).

Выражение механической характеристики можно получить подстановкой значения Iа из (25) в (26):



Обозначив



получаем



где MП — момент пуска двигателя при ? = 0; F — коэффициент демпфирования, определяющий наклон (жесткость) механической характеристики.

Как следует из рассмотрения механических характеристик, представленных на рис. 27, с увеличением напряжения управления Uy скорость ИД возрастает (рис. 27, а), при увеличении момента нагрузки М? скорость падает (рис. 27, б), с увеличением коэффициента демпфирования F (рис. 27, в) возрастает устойчивость двигателя, так как уменьшается зависимость угловой скорости от изменения внешней нагрузки.



Рис. 27. Статические характеристики ИД постоянного тока

Механическая характеристика является обобщенной, так как зависит от двух параметров Uу и ?. Выражение регулировочной характеристики ? = f (U) может быть получено из (27):



Обозначив



и сделав замену МВР == М'Н, где М'Н = МН/i — приведенная составляющая момента нагрузки, получаем



где kД — коэффициент передачи двигателя по скорости, l/B·c. Регулировочные характеристики (рис. 27, г) смещены относительно начала координат на расстояние, определяемое моментом М?. Через начало координат характеристика проходит при отсутствии момента нагрузки на валу ИД (идеальный случай). Реально даже при отсутствии момента нагрузки всегда существует момент статического трения Мт, который определяет зону нечувствительности ИД (напряжения трогания) и оказывает влияние на статическую ошибку всего СП. Напряжение трогания



Регулировочная характеристика по моменту M = f (U) при ? = 0 представлена на рис. 27, д.

Динамические свойства двигателей. Поведение двигателя в переходных режимах, связанных с изменением угловой скорости в процессе слежения, можно описать следующей системой уравнений:

1) уравнение электрического равновесия





где L — индуктивность обмотки якоря, Гн;

2) уравнение механического равновесия в соответствии с (23), а также (19) и (20) и при учете постоянной составляющей статической нагрузки МCT = МН



3) уравнение, связывающее угол поворота вала ИД с угловой скоростью:



B оперативной форме уравнения (34)—(36) при учете выражения (24) можно представить в следующем виде:



Структурные схемы ИД постоянного тока, соответствующие полученной системе уравнений (37)—(39), изображены на рис. 28, а.

Решая совместно уравнения (37)—(39), получаем



или



где TЭ = L/Ra — электромагнитная постоянная времени, характеризующая скорость нарастания момента в заторможенном двигателе; ТМ — механическая постоянная времени, характеризующая нарастание скорости и определяемая механическими параметрами ИД:





Рис. 28. Структурные схемы ИД постоянного тока

Для двигателей с обычным зубцовым якорем ТМ = 0,03 ... 0,4 с, при полом немагнитном якоре ТМ = 0,015 ... 0,02 с, для двигателей с цилиндрическим гладким и печатным якорем ТМ = 0,005 ... 0,01 с.

Структурная схема ИД, соответствующая выражению (40), представлена на рис. 28, б.

Передаточную функцию двигателя по управляющему воздействию можно получить из выражения (40), полагая MН = 0 (рис. 29, а):



В зависимости от соотношения постоянных времени ТЭ и ТМ двигатель может быть представлен различными типовыми звеньями. C небольшой погрешностью (рис. 29, б} передаточную функцию ИД можно записать в следующем виде:



Для большинства ИД влияние индуктивности якорной обмотки на динамические свойства не является определяющим, что дает возможность пренебречь электромагнитной постоянной времени (рис. 29, в), тогда



Если в качестве выходной величины рассматривать углов ?Д поворота вала ИД, то на основании (39) двигатель можно представить последовательным соединением интегрирующего и апериодического звеньев (рис. 29, г):





Рис. 29. Представление ИД типовыми звеньями

И, наконец, при незначительных нагрузках падением напряжения можно пренебречь.



B этом случае ИД выполняет роль интегрирующего звена (рис. 29, д):



Передаточная функция двигателя по отношению к возмущающему воздействию при UУ = 0 может быть получена из (40):



Выражения передаточных функций по управляющему и возмущающему воздействиям соответствуют структурной схеме ИД (рис. 29, e), полученной эквивалентными структурными преобразованиями (см. рис. 29, б—г) исходной схемы (см. рис. 29, а).

Большой диапазон мощностей (от долей ватт до десятков киловатт), линейность статических характеристик, плавность работы наряду с высокими динамическими характеристиками послужили причиной широкого использования ИД постоянного тока в качестве исполнительных устройств СП. Главный недостаток двигателей постоянного тока обусловлен наличием коллектора и щеток, создающих момент трения, что снижает надежность работы в условиях повышенной влажности, усложняет техническое обслуживание и повышает уровень шума при работе.



Электрические двигатели переменного тока. Из числа двигателей переменного тока для работы в СП наиболее пригодны малоинерционные асинхронные двигатели с хорошими регулировочными характеристиками. Широкое применение находят двухфазные двигатели типа ДИД, АД, АДП, малогабаритные типа ДМ, а также двигатели-генераторы типа ДГ, АДТ, ДГМ.

Такие преимущества, как отсутствие коллектора и щеток, малый момент инерции, простота управления и согласования с усилителями переменного тока, делают асинхронные двигатели незаменимыми в быстродействующих СП, а также приводах, работающих во взрывоопасных условиях, в которых трудно проводить профилактические работы. Малые размеры двигателей дают возможность использовать их в устройствах, к которым предъявляются жесткие требования по размерам и массе. Кроме того, эти двигатели самые простые и экономичные.

Однако распространение асинхронных двигателей ограничено их низким КПД и малой мощностью (до 100 ... 150 Вт), так как дальнейшее увеличение мощности влечет за собой значительный рост размеров и требует интенсивного охлаждения.



Рассмотрим принцип работы асинхронного двигателя. В одну из обмоток статора включен конденсатор, создающий необходимый для работы двигателя сдвиг фаз в 90° между токами в обмотках управления и возбуждения. Образуемое при этом вращающееся магнитное поле взаимодействует с вихревыми токами, индуцируемыми в немагнитном роторе, и создает момент вращения



где k — коэффициент пропорциональности; UB, Uу — напряжения возбуждения и управления, B; ? — угол сдвига фаз между напряжениями.

При отсутствии нагрузки ротор вращается синхронно с полем. При наличии момента нагрузки появляется отставание, поэтому двигатель и называется асинхронным.

Различают методы непрерывного и дискретного управления частотой вращения асинхронного ИД. Непрерывное управление частотой достигается изменением амплитуды управляющего напряжения, дискретное — изменением времени подключения обмоток ИД к источнику питания.

Непрерывный метод управления может быть реализован с помощью схем с использованием электронных усилителей переменного тока. Схема регулирования асинхронного двигателя с помощью транзисторного усилителя, выполненного на транзисторах VT1 и VT2, показана на рис. 30, а. При отсутствии входного сигнала ,no первичным обмоткам трансформатора T2 протекают начальные коллекторные токи, создающие эффект компенсации в нагрузке, в результате чего двигатель находится в состоянии покоя. При подаче входного сигнала Uу, поступающего на базы транзисторов в противофазе, коллекторный ток одного транзистора возрастает, а другого уменьшается. В сердечнике T появляется разностный магнитный поток определенного направления, а в выходной обмотке — напряжение соответствующей фазы. Двигатель начинает вращаться с частотой, определяемой амплитудой входного сигнала. Для реверса ИД фазу входного сигнала следует изменить на 180°.

Дискретный метод управления асинхронным ИД можно пояснить с помощью схемы управления на тиристорах (рис. 30, б). В обмотку управления двигателя M включены встречно-параллельно два тиристора VS1, VS2, на управляющие электроды которых со схемы управления поступают импульсы.



При отсутствии сигнала рассогласования тиристоры закрыты и обмотка управления ИД обесточена. При наличии сигнала ошибки на тиристоры поступают импульсы, сдвинутые по фазе относительно напряжения питания UП на угол, зависящий от степени рассогласования. В результате проводящий тиристор, например VS1, будет открыт не все время, равное половине периода, а только часть его, и обмотка управления ИД на такое же время будет подключена к источнику питания. Во второй полупериод открывается тиристор VS2, и по обмотке управления протекает импульс тока обратной полярности. Средний за период ток зависит от ширины импульсов (фазового сдвига импульсов) и в конечном счете от ошибки рассогласования. Частота вращения ИД при этом будет плавно меняться. Реверс ИД осуществляется одновременной сменой фазы входного сигнала и подачей разрешающего импульса па тиристор VS2.



Рис. 30. Схемы управления асинхронным двигателем

В настоящее время разработаны силовые СП, в которых используются трехфазные асинхронные двигатели с тиристорным управлением.

Другим примером дискретного управления может служить управление с помощью мостового выходного каскада на транзисторах в ключевом режиме (рис. 30, в). Два нижних плеча моста образованы входными транзисторами VT1, VT6. Два верхних плеча образованы силовыми транзисторами VT3, VT4 и дополнительными VT2, VT5, имеющими проводимость, обратную проводимости транзисторов нижней половины моста. Коллекторная нагрузка каждого из управляющих транзисторов выполнена из резисторного делителя R1, R2 (R5, R6), к средней точке которого подключена база дополнительного транзистора VT2 (VT5). Коллектор транзистора VT2 (VT5) подключен к базе силового транзистора VT3 (VT4) непосредственно и через резистор R3 (R4) к коллектору другого силового транзистора VT4 (VT3).



Рис. 31. Статические характеристики асинхронного ИД

Источник питания UП включен в диагональ моста, в другую диагональ включены нагрузка в виде обмотки управления ИД и два диода VD1 и VD4, предназначенные для обеспечения режима работы каскада.



Управление мостом осуществляется двуполярными импульсами, поступающими в противофазе на базы транзисторов VT1, VT6, например, отрицательный импульс — на базу VT1 и положительный импульс — на базу VT6. Транзисторы VT1, VT2, VT4 на время действия импульса открыты, а транзисторы VT3, VT5 и VT6 закрыты. По цепи (+UП) — VT1-VD1 — обмотка управления — VT4 — (—UП) течет ток, и двигатель начинает вращаться в определенную сторону. В другой полупериод меняется полярность импульсов, открываются транзисторы VT3, VT5, VT6, а транзисторы VT1, VT2, VT4 закрываются. Ток через нагрузку потечет в обратном направлении по цепи ( + UП) — VT6—VD4 — обмотка управления — VT3— (—UП). При этом направление вращения ИД останется прежним, так как одновременно сменится фаза напряжения возбуждения. Частота вращения ИД будет зависеть от ширины импульсов управления или значения ошибки рассогласования. Знак сигнала рассогласования определяет фазу управляющих импульсов и направление вращения ИД.

Статическими характеристиками асинхронного двигателя, как и двигателя постоянного тока, являются механические M = f (?) (рис. 31, а) и регулировочные M = f (Uy), ? = f(Uу) (рис. 31, б, в) характеристики. B момент включения ИД благодаря применению фазосдвигающего конденсатора угол ? = 90°, и пусковой момент согласно (48) с учетом постоянства напряжения возбуждения будет



где cM.П. = kUB — коэффициент передачи по моменту, Н·м/В. Из (49) следует



Здесь МП.HOM — номинальный пусковой момент; UУ.Н.НОМ — номинальное напряжение управления.

Зависимость M = f(Uу) называется нагрузочной характеристикой. В общем виде статические характеристики асинхронного двигателя нелинейны, но с некоторыми допущениями их можно заменить приближенными линейными зависимостями. Полагая механические характеристики линейными и параллельными, зависимость между угловой скоростью ИД и моментом вращения можно выразить линейным уравнением



или



Коэффициент демпфирования определим из (52) при условии





Уравнение регулировочной характеристики может быть получено из выражения (51) при условии МВР = 0:





Обозначая kД = сМ.П./F, где kД — коэффициент передачи ИД по скорости, получаем



В динамическом режиме асинхронный двигатель с учетом допущенной линеаризации описывается теми же дифференциальными уравнениями (37)—(39), что и двигатель постоянного тока. При исследовании уравнений и выводе выражения передаточной функции член, содержащий p2, без значительных погрешностей может быть отброшен и тогда



Механическая постоянная ТМ асинхронных ИД, как правило, указывается в паспортных данных. B противном случае ее можно определить по параметрам двигателя и нагрузки:



где





Рис. 32. Электромагнитная порошковая муфта

Следует иметь в виду, что на ИД переменного тока поступает управляющий сигнал, модулированный по амплитуде и содержащий полезную информацию в огибающей, на которую и реагирует двигатель. Поэтому передаточную функцию асинхронного ИД определяют по огибающей управляющего сигнала.



Электромагнитные муфты. В отличие от электродвигателей электромагнитные муфты вращающего момента не создают и являются передаточным звеном между нерегулируемым приводным двигателем и нагрузкой. Конструктивно они состоят из ведущей части, связанной с двигателем, и ведомой, связанной с нагрузкой. По типу связи между обеими частями муфты делят на муфты с механической связью и электромагнитной (за счет поля).

Согласно ГОСТ 18306—72 муфтой с механической связью называется устройство, в котором вращающий момент, создаваемый приводным двигателем, передается от ведущей части к ведомой за счет механического трения или путем зацепления, управляемого магнитным полем электромагнита муфты.

По принципу работы электромагнитные муфты с механической связью делят на фрикционные (ЭФМ) и порошковые (ЭПМ). В ЭФМ передача момента происходит за счет механического трения дисков, которые притягиваются при подаче управляющего сигнала, в ЭПМ — за счет сцепления ферромагнитного порошка в управляемом поле.

Наибольшее применение в СП нашли порошковые муфты благодаря хорошим регулировочным свойствам и высокому быстродействию.



Они универсальны, с их помощью можно осуществлять как непрерывное, так и дискретное регулирование момента.

По исполнению муфты бывают контактные и бесконтактные. Одна из конструкций бесконтактной муфты показана на рис. 32, а. Магнитная система состоит из элемента 1, являющегося ведущей частью муфты, элемента 6, образующего ведомую часть, и обмотки 3, размещенной в кольцевом пазу неподвижного катушкодержателя 2. Двойной зазор 4 и 5 заполнен ферромагнитным порошком — исполнительным органом ЭПМ, непосредственно осуществляющим силовую связь между ведущей и ведомой частями.

Ведомая часть выполнена в виде стакана и имеет малый момент инерции. Ведущую часть, вращающуюся с постоянной скоростью вместе с валом приводного двигателя, наоборот, делают больших размеров и массы. Это способствует запасу механической энергии от двигателя, ускорению процессов разгона и торможения, т. e. безынерционности самой муфты.

При отсутствии сигнала управления магнитный порошок находится в свободном состоянии, сцепление отсутствует и вращение не передается. При подаче в обмотку электромагнита сигнала управления возникает поток управления Фу. Под действием потока порошок намагничивается и затвердевает, создавая между ведущей и ведомой частями момент сцепления M = сФФу, где сФ — коэффициент пропорциональности. Ведомая часть начинает вращаться, причем передаваемый момент зависит от тока управления.

Осуществить реверс нагрузки с помощью рассмотренной муфты нельзя, так как в качестве приводного двигателя, как было отмечено ранее, применяется нерегулируемый двигатель. Для обеспечения реверса нагрузки H служит блок двух параллельно соединенных муфт 1, 2 (рис. 32, б), связанных с приводным двигателем M с помощью зубчатой передачи 3 таким образом, что ведущие части этих муфт вращаются в противоположные стороны. Для управления обмотки обеих муфт включают по дифференциальной схеме как нагрузку выходного каскада усилителя, собранного на транзисторах VT1, VT2 и работающего в линейном или ключевом режиме в зависимости от избранного метода регулирования скорости ИУ.



При отсутствии сигнала рассогласования и непрерывном регулировании начальные (нулевые) токи, протекающие в обмотках муфт, создают равные, но противоположно направленные моменты вращения, приложенные к выходному палу ИУ. B результате . Появление сигнала рассогласования U?? приводит к перераспределению токов Iу1 и Iу2 в обмотках муфт, появлению момента и скорости выходного звена муфты определенного знака.

Свойства муфты в статическом режиме определяются моментной M = f(Uy) и механической ? = f(M) характеристиками. Моментная (регулировочная) характеристика реверсивной муфты, показанная на рис. 33, а сплошной линией, является разностью характеристик (штриховые линии) двух нереверсивных муфт. Характеристика каждой муфты нелинейна, но за счет дифференциальной схемы включения при токе управления Iу = I1 — I2 = 0 момент M = M1 — M2 тоже равен нулю, а при изменении тока управления он будет возрастать практически линейно:





Рис. 33. Моментная и механическая характеристики ЭПМ

или



где kMI и kMU = kMI /Rу— коэффициенты ЭПМ по моменту; Rу — сопротивление обмотки управления.

Ведомая часть синхронно вращается с ведущей. При нагружении ЭПМ моментом, больше момента муфты, между ведущей и ведомой частями появляется скольжение, определяемое зависимостью



где ?1 — угловая скорость ведущей части; ? 2 — угловая скорость выходного вала ведомой части.

Момент, развиваемый ЭПМ при скольжении, меньше передаваемого момента и называется моментом вращения. При ?2 ? ?1 ЭПМ является нагрузкой для приводного двигателя и источником мощности для приводимого механизма. При ?1 = ?2 муфта является пассивным соединительным механизмом. Скорость можно регулировать только путем изменения скольжения S.

Скольжение сопровождается выделением большого количества теплоты. Для повышения теплопроводности муфты и предотвращения разрушения ферромагнитного порошка в него добавляют минеральные масла, керосин, графит, увеличивающие вязкость смеси.

Как следует из рассмотрения механической характеристики ? = f (M) (рис. 33, б), угловая скорость ?2 выходного вала ЭПМ не зависит от момента нагрузки при работе муфты без скольжения.



При некотором значении момента нагрузки происходит мгновенное расцепление ведущей и ведомой частей. Чем больше сигнал управления, тем при большем значении момента нагрузки произойдет расцепление муфты.

Для вывода передаточной функции блока муфт воспользуемся уравнением механического равновесия (35), приведя все параметры к выходному валу ЭПМ:



где J' = JB + JM/i2 — приведенный к выходному валу момент инерции; JM — момент инерции муфт; M1—M2 — момент, передаваемый муфтой; i — передаточное число редуктора от ведомой части ЭПМ к нагрузке; МН — момент сил сопротивления на выходном валу муфт.

Подставляя значение передаваемого момента из (58) в (59) и принимая для упрощения МН = 0, получаем



откуда передаточная функция блока муфт



где



Передаточная функция муфт относительно угла поворота



Если учесть скорость нарастания суммарного магнитного потока Ф в рабочем зазоре, зависящую от постоянной времени Та, то передаточная функция муфты,



где TЭ = Ly/Ry, Ly, Ry — индуктивность и сопротивление обмотки управления.

K преимуществам ЭПМ следует отнести:

высокое значение отношения вращающего момента к моменту инерции ведомой части муфты, что обеспечивает большие ускорения — до 100·103 рад/с2 (у двигателей постоянного тока такой же мощности — до 20·103 рад/с2);

малую мощность управления за счет высокой магнитной проводимости исполнительного органа и, как следствие, большое усиление по мощности;

линейную зависимость передаваемого момента от сигнала управления;

высокое быстродействие;

возможность применения простых, дешевых и надежных в работе нерегулируемых двигателей.

Недостатками муфт являются:

сложность конструкции механических узлов муфт;

значительный нагрев исполнительного органа муфт при скольжении и необходимость в специальных мерах по охлаждению;

нестабильность передаваемого момента вследствие непостоянства магнитных свойств порошка;

невысокий КПД, обусловленный непроизводительным расходом энергии на вращение приводного двигателя при отсутствии сигнала управления (? = 0,5);

небольшая частота вращения.

Назад | Содержание

| Вперед

Электродинамические преобразователи

6.2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия электродинамических ЭМП основан на взаимодействии магнитного потока, возникающего при поступлении управляющего сигнала в обмотки управления, с постоянным магнитным потоком, создаваемым постоянными магнитами или с помощью катушек возбуждения. Рассмотрим одну из возможных схем ЭМП такого типа (рис. 62, а). При отсутствии управляющего сигнала ток в обмотке подмагничивания 2, протекающий за счет электрического сигнала на контактах B и Г, создает в зазоре ? радиальные постоянные магнитные потоки ФП. При подаче через контакты А и Б управляющего сигнала на обмотку управления 4 возникает магнитный поток управления, который, взаимодействуя с радиальными потоками ФП создает осевое усилие, деформирующее плоские пружины 1 и 5.

В результате этого взаимодействия выходное звено 6 (якорь) ЭМП перемещается в осевом направлении на определенную величину хЯ, пропорциональную управляющему току. При смене знака управляющего сигнала перемещение подвижной части ЭМП происходит в противоположную сторону. Сила взаимодействия управляющей обмотки с постоянным магнитным потоком зависит от силы тока в обмотке управления. Применение двух пружин объясняется тем, что пружина 5 служит только для центрирования управляющей обмотки в зазоре 6 магнитопровода 3. Эта пружина имеет малую жесткость. Пружина 1 в основном обеспечивает пропорциональную и однозначную зависимость перемещения подвижной части ЭМП от управляющего сигнала. Жесткость этой пружины намного больше жесткости пружины 5.

Часто вместо обмотки подмагничивания используют постоянные магниты, что позволяет исключить непроизводительное потребление электроэнергии, уменьшить массогабаритные показатели ЭМП, повысить надежность его работы и исключить проблему отвода теплоты от катушки подмагничивания (рис. 62, б).

Рис. 62. Электродинамический ЭМП:

а) с обмоткой возбуждения б) с постоянным магнитом

Главной особенностью ЭМП электродинамического типа является отсутствие гистерезиса и линейность основных характеристик; возможность обеспечения большого (до 1 мм) хода якоря. В качестве недостатка можно отметить сложность конструкции, большие размеры и массу (по сравнению с ЭМП электромагнитного типа).

Назад | Содержание

| Вперед

Электрогидравлический усилитель мощности сопло-заслонка

7.4. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СОПЛО-ЗАСЛОНКА

В технической литературе [3, 4, 15] двухщелевой ГР сопло-заслонка часто называют гидравлическим мостиком сопротивлений сопло-заслонка. Расчетная схема такого устройства приведена на рис. 74.

Примем следующие допущения: 1) давление в сливной гидролинии рсл = 0; 2) температура РЖ tрЖ = const; 3) проводимости нерегулируемых дросселей при h = 0 (z1 = z2) равны между собой; 4) потерями перепада давлений на нерегулируемой части сопла пренебрегаем; 5) сжимаемостью РЖ пренебрегаем. B соответствии с расчетной схемой (см. рис. 74)

здесь Q — расход РЖ, поступающей на второй каскад (или к ГИУ).

Расход через постоянный дроссель

где ?0 — коэффициент расхода РЖ через постоянный дроссель, согласно [3] ?0 = 0,61 ... 0,65; f0 - эффективная площадь истечения РЖ через постоянный дроссель; рк — давление на входе в постоянный дроссель.

Рис. 74. Расчетная схема ГУ сопло-заслонка

Проводимость постоянного дросселя

Расход через регулируемый дроссель

где ?с.з - коэффициент расхода РЖ через регулируемый дроссель, согласно [3] ?с.з = 0,68 ... 0,78; h0 — расстояние от заслонки до торца сопла при нейтральном положении заслонки;

; h — координата, характеризующая значение и знак отклонения заслонки от нейтрального положения; dc — диаметр сопла.

Проводимость регулируемого дросселя при h = 0 (

)

Перепишем уравнение (178) с учетом выражений (180) и (181):

Аналогично уравнение (179) может быть представлено в следующем виде:

C учетом принятых допущений G2 = G4 = Gс.з = 0. Расход РЖ через одно сопло при нейтральном положении заслонки (h = 0)

, где рс—давление перед соплом при нейтральном положении заслонки. При принятых допущениях рс = р1 (h = 0) = р2 (h = 0) – рк/2.

Таким образом,

. Введем обозначения:

Уравнения (182) и (183) с учетом принятых обозначений можно записать в безразмерном виде:

Разрешив последние два уравнения относительно

и , получим

Безразмерный перепад давлений, возникающий на последующем каскаде:

Статические характеристики. К статическим характеристикам относятся обобщенная, силовая и регулировочная по расходу характеристики.

Обобщенная статическая характеристика идеального двухщелевого ГР сопло-заслонка описывается уравнением (188). Эта характеристика устанавливает зависимость между расходом Q РЖ, подаваемой на последующий каскад усиления, и перепадом давления при различных смещениях заслонки от нейтрального положения. Ha графике, построенном по уравнению (188), показана зона (штриховые линии на рис. 75, а), в пределах которой обобщенная характеристика близка к линейной (|| <0,5; || < 0,5).

При расчете динамических характеристик ЭГУ сопло-заслонка вполне допустимо использование линеаризованной характеристики, получаемой разложением правой части уравнения (188) как функции двух переменных () в ряд Маклорена. Если ограничиться только линейной частью ряда Маклорена, то уравнение (188) может быть представлено в виде





Рис 75. Статические характеристики ГУ сопло-заслонка

Запишем уравнение (189) в размерных величинах:



Уравнение (192) можно разрешить относительно Q:



где



Величина kQh является коэффициентом усиления по расходу гидравлического мостика сопло-заслонка в точке с координатами (h = 0; Q = 0).

Величина kQp называется коэффициентом скольжения обобщенной гидравлической характеристики гидравлического мостика сопло-заслонка. По своему физическому смыслу коэффициент kQp выражает зависимость Q от перепада давления ?р при h = const.

Кроме обобщенной статической характеристики, которую иногда называют нагрузочной или механической характеристикой, на практике часто используют силовую и регулировочную по расходу характеристики для гидравлического мостика сопло-заслонка.

Силовая характеристика (регулировочная характеристика по перепаду давлений) показывает зависимость перепада давлений ?р от координаты h при установившемся движении РЖ в каналах мостика и при неподвижном втором каскаде (если ЭГУ двухкаскадный) или при неподвижном ГИУ (если ЭГУ однокаскадный).



В качестве примера будем рассматривать электромеханический преобразователь электромагнитного типа.



Однокаскадный и двухкаскадный ЭГУ (СП). Уравнение моментов на валу ЭМП согласно результатам, полученным в гл. 6,



Если в последнем уравнении перейти к линейным величинам то получим



где PУ — усилие управления, действующее вдоль осевой линии регулируемых сопел; R0 — расстояние от оси ЭМП до осевой линии регулируемых сопел; h — координата заслонки вдоль осевой линии регулируемых сопел (см. рис. 74).

Обозначим



C учетом (205) и (206) уравнение (204) примет вид



Уравнение сил вдоль оси регулируемых сопел



или с учетом (202)



где m1 — масса подвижной системы якорь ЭМП — заслонка, приведенная к линии движения заслонки (ось регулируемых сопел); f1 — коэффициент вязкого трения подвижной системы якорь ЭМП — заслонка, приведенный к линии движения заслонки; с1 — коэффициент, характеризующий жесткость упругой нагрузки подвижной системы якорь ЭМП — заслонка, приведенную к линии движения заслонки (например, жесткость центрирующих пружин ЭМП).

Решая совместно уравнения (207) и (208), получим



Передаточная функция, связывающая координаты i и h:



где k1 — коэффициент усиления первого каскада;



T1 — постоянная времени первого каскада;



?1— относительный коэффициент демпфирования первого каскада;



Уравнение сил на втором каскаде ЭГУ



где F2 — площадь поршня второго каскада; х2 — координата, характеризующая движение второго каскада; m2 — масса подвижных частей второго каскада; f2 — коэффициент вязкого трения второго каскада; с2 — коэффициент жесткости механических пружин второго каскада; Ргд.2 - гидродинамическая сила на золотнике второго каскада, которая может быть приблизительно описана с помощью уравнения



Согласно работе [4]



где ? — коэффициент расхода; bщ — ширина щели золотника; L1 и L2 — линейные размеры золотника (см. рис. 71, a); ? = 69° — угол истечения; ?рн — перепад давлений на ГИУ; nкам — коэффициент, учитывающий изменение скорости потока РЖ в результате изменения направления движения внутри камеры K. (см.



рис. 71, a); nкам ? 0,1.

При расчете динамических характеристик по линейной модели ЭГУ обычно учитывают максимальные значения коэффициентов kгд1 и kгд2:



Необходимо заметить, что в золотниках, выполненных по схеме на рис. 71, a, L1 = L2 и соответственно kгд2 = 0. Если же золотник выполнен по схеме на рис. 71, в, то в таком золотнике L2 = 0 (kгд2 ? 0), а nкам = 0.

Уравнения (213) и (214) позволяют определить передаточную функцию, связывающую координаты х2 и ?р:



где k2 — коэффициент усиления второго каскада;



Т2 — постоянная времени второго каскада;



?2 - относительный коэффициент демпфирования второго каскада;



Если ЭГУ однокаскадный, то передаточная функция, связывающая координату хП(p), характеризующую движение ГИУ, и ?рн(р) может быть получена на основании уравнения действующих на ГИУ сил



где FП — площадь поршня ГИУ; M — масса подвижных частей, приводимых в движение ГИУ; f — коэффициент вязкого трения, преодолеваемого ГИУ; с — коэффициент жесткости, характеризующий упругую нагрузку на ГИУ:



где k0 — коэффициент усиления ГИУ:



T0 — постоянная времени ГИУ;



?0 — относительный коэффициент затухания ГИУ;



Расход РЖ, поступающей на управление ГИУ (если ЭГУ однокаскадный) или на управление вторым каскадом (если ЭГУ двухкаскадный), может быть записан в следующем виде:

если ЭГУ однокаскадный,



если ЭГУ двухкаскадный,





Рис. 76. Структурные схемы однокаскадного ЭГУ сопло-заслонка

Ha основании передаточных функций (209), (215) и (220), а также уравнений (192), (224) и (225) можно представить структурные схемы двухкаскадного ЭГУ (рис. 76, а) и однокаскадного (рис. 76, б) совместно с ГИУ. Структурные схемы на рис. 76, а, б не учитывают электрическую часть ЭМП. Структурные схемы двухкаскадного ЭГУ с синхронизирующими пружинами (ЭГУ (СП)) и однокаскадного ЭГУ с ГИУ, составленные с учетом электрической части ЭМП, представлены на рис. 76, б, г. Параметры передаточной функции W*У(p) определяют по формулам (177) на основании равенства





где kioc — коэффициент обратной связи по току (см. рис. 68, в).



Двухкаскадные ЭГУ (MOC). Рассмотрим уравнения движения ЭГУ (MOC) (см. рис. 72, б).



Параметры этой передаточной функции определяют по формулам (210)—(212) при условии, что коэффициент с1 дополнительно учитывает жесткость пружины обратной связи, приведенную к оси регулируемых сопел, а коэффициент k*Mi = 1 [см. (210)].

Особенностью математической модели ЭГУ (MOC) является также и то, что в уравнении сил (213) для второго каскада коэффициент с2 учитывает жесткость пружины обратной связи: с2 = сМОС, где сМОС — жесткость пружины механической обратной связи, приведенная к оси движения второго каскада.

С учетом последнего замечания передаточная функция второго каскада ЭГУ (MOC) и ее параметры могут быть определены по формулам (215)-(218).

Структурная схема ЭГУ сопло-заслонка с механической OC представлена на рис. 77, а.

Двухкаскадный ЭГУ (IOC). Рассмотрим схему двухкаскадного ЭГУ сопло-заслонка с гидравлической обратной связью ЭГУ (ГОС) (см. рис. 72, в).

Отличие математической модели такого ЭГУ от математической модели двухкаскадного ЭГУ (СП) состоит только в том, что коэффициент с2 не учитывает жесткость синхронизирующих пружин второго каскада, и уравнение (192) трансформируется к виду



где ?h = h — x2 при единичной гидравлической OC и ?h = h — kГОСx2, если гидравлическая обратная связь неединичная.

С учетом этого замечания параметры передаточных функций первого и второго каскадов ЭГУ (ГОС) можно определить по тем же формулам, что и параметры передаточных функций ЭГУ (СП). Структурная схема ЭГУ (ГОС) приведена на рис. 77, б.



Двухкаскадный ЭГУ (ЭОС). Структурная схема такого ЭГУ (см. рис. 72, г) приведена на рис. 77, в. Параметры передаточной функции W1(p) ЭГУ (ЭОС) определяют так же, как для ЭГУ (СП), а параметры передаточной функции W2(p) — как для двухкаскадного ЭГУ (ГОС). Структурная схема на рис. 77, в соответствует схеме ЭГУ, у которого электрическая ОС реализуется с помощью индукционного датчика.



Коэффициент kД характеризует крутизну характеристики UД = UД(x2)» где UД — напряжение, снимаемое с сигнальной обмотки индукционного датчика:



здесь UmaxД — расчетное значение напряжения на сигнальной обмотке индукционного датчика.



Рис. 77. Структурные схемы двухкаскадных ЭГУ сопло-заслонка

Коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя



где UmaxФВЧ — расчетное значение напряжения на выходе ФЧВ. Передаточная функция частотного фильтра W? (p) в самом общем случае может быть представлена в следующем виде;



где — полином n-й степени от p; — полином m-й степени от p (n > m); kф = UmaxОС /UmaxФВЧ — коэффициент передачи частотного фильтра; UmaxОС — расчетное значение напряжения обратной связи.

Вид полиномов и зависит от рабочей частоты напряжения питания индукционного датчика обратной связи, от динамических и статических характеристик операционного усилителя.

Назад | Содержание

| Вперед

Электромагнитные преобразователи

6.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Работа электромагнитного ЭМП основана на взаимодействии магнитных потоков, из которых один или несколько образуются при подаче управляющего сигнала. Результатом такого взаимодействия является возникновение усилия или момента на подвижной части (якоре) ЭМП. При наличии механической или магнитной пружины это усилие (или момент) преобразуется в линейное или угловое перемещение подвижной части ЭМП, пропорциональное управляющему сигналу.

Рассмотрим принцип работы одного из вариантов электромагнитного ЭМП поворотного движения с механической пружиной и обмотками поляризации, управляемого постоянным током по двухпроводной схеме с последовательным включением (рис. 63, а). При отсутствии управляющего сигнала (напряжение на контактах A и Б равно нулю) на якорь 1 действуют силы, создаваемые постоянным поляризованным магнитным потоком ФП. Эти силы, обусловленные наличием на контактах C, Д обмоток подмагничивания постоянного напряжения, равны по значению и противоположны по направлению.

Рис. 63. ЭМП электромагнитного типа

Якорь ЭМП находится в среднем положении также под действием равных и противоположно направленных сил центрирующих пружин 2, 3, закрепленных на статоре 4. При поступлении через контакты A и Б на обмотку управления управляющего сигнала возникает электромагнитный поток управления ФУ, который взаимодействует с постоянным потоком ФП, при этом в одном зазоре, например II, эти потоки суммируются, а в зазоре I — вычитаются. В результате нарушается равновесие сил, и якорь поворачивается по часовой стрелке на некоторый угол, который определяется соотношением возникшего на якоре усилия с жесткостью центрирующих пружин. Якорь займет новое устойчивое положение. При увеличении управляющего сигнала растет усилие на якоре и, как следствие, увеличивается угол отклонения. При изменении знака сигнала управления на противоположный магнитные потоки будут складываться в зазоре I, а в зазоре II будут вычитаться. Усилие, развиваемое ЭМП, изменит свой знак, и якорь отклонится против часовой стрелки.

В результате обеспечивается определенное соответствие между углом и направлением отклонения якоря ЭМП, а также значением и знаком управляющего сигнала.

Электромагнитный ЭМП поворотного движения, работающий по дифференциальной схеме и управляемый постоянным током (рис. 63, б), состоит из Ш-образного магнитопровода 1 (статора), поворотного якоря 3, обмоток управления 2, 5, центрирующих пружин 4. При равенстве токов в обмотках 2 и 5 (ток в каждой обмотке равен Ѕ максимального значения) магнитные потоки Ф1 и Ф2 и усилия, действующие в зазорах I и II, также будут равны. Усилия от центрирующих пружин 4 в верхней и нижней частях якоря равны. В результате якорь находится в нейтральном положении. Если, например, в обмотке 2 ток управления будет уменьшаться, а в обмотке 5 одновременно увеличиваться (дифференциальное управление), то поток Ф1 будет уменьшаться, а поток Ф2 увеличиваться. Равновесие якоря нарушится, и он повернется по часовой стрелке на некоторый угол, определяемый жесткостью центрирующих пружин и возникшим дебалансом сил. Если увеличивать ток в обмотке 2 и соответственно уменьшать ток в обмотке 5, то поворот якоря произойдет в противоположную сторону.



Рис. 64. Графин зависимостей F1(?), F2(?), F?(?).

Таким образом, угол поворота якоря и его направление зависят от значения и знака разности токов в обмотках управления.

Следует отметить, что усилия F1 и F2, развиваемые в зазорах I и II, обратно пропорциональны квадрату зазора 6 (рис. 64). Однако совместное действие этих сил на якорь ЭМП практически мало отличается от линейного закона (кривая F2). Линеаризации кривой F2 в определенной мере способствует и насыщение магнитного потока в зазоре между якорем и средней частью магнитопровода, а также ограничение площади сечения якоря.

Электромагнитные ЭМП с обмотками управления, включенными по дифференциальной схеме, применяют реже, чем ЭМП с последовательно включенными обмотками управления, так как электронные усилители, обеспечивающие дифференциальное управление обмотками ЭМП, более сложны и в них трудно обеспечить стабильность начальных токов.



Обе рассмотренные выше схемы ЭМП электромагнитного типа имеют якорь, перемещающийся вдоль магнитных силовых линий в воздушном зазоре. Линейность статических характеристик обеспечивают ЭМП, в которых якорь совершает движение поперек магнитного поля (рис. 65), хотя такое исполнение и усложняет технологию изготовления ЭМП. В этих преобразователях важное влияние на статическую характеристику M (i) (ток управления — момент на валу якоря) оказывает форма рабочего зазора. Наиболее часто используют ЭМП с рабочими зазорами трех типов (рис. 66). Зазоры первых двух типов (рис. 66, а, б) обусловливают действие так называемой магнитной пружины, когда при отклонении якоря от нейтрального положения магнитные силы действуют в противоположных направлениях, причем жесткость магнитной пружины для зазора на рис. 66, а меньше, чем для зазора на рис. 66, б. Зазор третьего типа (рис. 66. б) полностью исключает момент от действия магнитных сил (жесткость магнитной пружины равна нулю). В таком ЭМП для обеспечения пропорциональности угла поворота якоря управляющему сигналу необходимо ввести механическую центрирующую пружину.



Рис. 65. Герметичные ЭМП:

а) сопло-заслонка; б) со струйной трубкой



Рис. 66. Типы рабочих зазоров ЭМП

ЭМП электромагнитного типа, в отличие от ЭМП электродинамического типа, при одинаковом усилии, развиваемом ЭМП, имеют меньшие массу, размеры и, что особенно важно для быстродействующих ЭГСП, меньшую массу подвижных частей.

Статические характеристики ЭМП электромагнитного типа имеют гистерезис, зависящий от свойств материала магнитопроводов, однако при работе таких ЭМП в составе замкнутого контура с большим коэффициентом усиления этот недостаток становится несущественным.

Рассмотренные выше ЭМП, являясь составной частью ЭГУ, не защищены от воздействия рабочей жидкости, которая оказывает вредное влияние на материалы магнитопровода и электрических проводов. Кроме того, содержащиеся в рабочей жидкости продукты изнашивания металлических деталей могут притягиваться магнитной системой ЭМП, что вначале ухудшает характеристики ЭМП, а затем приводит к выходу его из строя.Особо остро эта проблема стоит в системах, работающих длительное время.

Поэтому в последние годы появились конструкции ЭМП так называемого «сухого» исполнения, в которых электромагнитная система полностью изолирована от рабочей жидкости РЖ (см. рис. 65),

Принцип герметизации в ЭМП на рис. 65 один и тот же — применение гибкой тонкостенной трубки, которая одним концом закреплена на основании ЭМП, а другим соединена с якорем ЭМП. В такой конструкции электромагнитная часть ЭМП надежно отделена от гидравлической, что позволяет существенно повысить надежность его работы.

Известны конструкции гибких трубок с толщиной стенки 0,05 ... 0,06 мм и длиной 25 ... 30 мм, надежно работающие при давлениях в линии слива ЭГУ не более 3 ... 8 МПа с общим числом рабочих циклов до (2 ... 6) 106.

Назад | Содержание

| Вперед

Электромашинные усилители

8.7. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Электромашинные усилители (ЭМУ) нашли широкое применение в качестве усилителей мощности. По числу каскадов усиления различают однокаскадные и двухкаскадные ЭМУ, по типу возбуждения (направлению потока возбуждения) — ЭМУ продольного и ЭМУ поперечного поля.

В СП для управления двигателями постоянного тока применяют двухкаскадные ЭМУ с поперечным возбуждением (рис. 105). Конструктивно ЭМУ представляет собой генератор постоянного тока с явно выраженными полюсами, имеющий на якоре дополнительную пару щеток 1—1, замкнутых накоротко. Обмотка возбуждения wУ ЭМУ используется для подачи управляющего сигнала UУ. Усиление сигнала по мощности в ЭМУ происходит за счет дополнительной механической энергии приводного двигателя M1, вращающего с большой частотой (?0 = 3000 ... 5000 мин-1) якорь генератора. От пересечения магнитным потоком Фу вращающейся обмотки якоря в последней будет наводиться небольшая ЭДС (2 ... 3 B), снимаемая с поперечных щеток 1—1. Так как цепь этих щеток замкнута накоротко и имеет малое сопротивление, то сила создаваемого тока достигает 2 ... 10 A и значительно превышает ток управления (5 ... 10 мА) — первый каскад усиления. Возникающий от тока поперечной цепи магнитный поток ФПОП в данном усилителе является основным возбуждающим потоком, давшим название ЭМУ. При пересечении этим потоком вращающихся проводников якоря наводится ЭДС, которая снимается со щеток 2—2 продольной оси якоря и является выходной величиной ненагруженного ЭМУ (второй каскад усиления).

Замыкание выходных щеток на нагрузку (обмотку якоря исполнительного двигателя M2) приводит к появлению тока нагрузки Iн и возникновению продольного потока Фпр реакции якоря, направленного навстречу управляющему потоку Фу и ослабляющего его. Для уменьшения вредной реакции якоря служит расположенная на статоре компенсационная обмотка wK, включенная последовательно с нагрузкой и создающая поток Фк, направленный встречно потоку Фпр. Путем изменения числа витков wK при изготовлении этой обмотки с последующей регулировкой резистором RK при настройке достигается определенная степень компенсации продольного потока, и обеспечиваются режимы перекомпенсации Фк > Фпр, полной компенсации потоков ФК = Фпр и недокомпенсации Фк < Фпр.

В СП допустим только режим недокомпенсации.



Рис. 105. ЭМУ:

а — схема включения б — условное графическое изображение; в, г — характеристики

Основными характеристиками ЭМУ являются статическая характеристика холостого хода и внешняя характеристика. Характеристика холостого хода идеального ЭМУ (рис. 105, e) представляет собой усредненную зависимость напряжения E на выходе при разомкнутой внешней цепи от тока управления: E = f (IУ). В реальном ЭМУ эта характеристика неоднозначна и имеет вид узкой петли гистерезиса. Нелинейность в области больших токов объясняется насыщением магнитопровода. Однако насыщение ЭМУ можно сделать пренебрежимо малым выбором рабочей зоны из условия UНОМ ? UA, где UA определяет линейную зону. В линейной зоне характеристика реверсивна и имеет крутизну, зависящую от коэффициента усиления.

B статическом режиме ЭМУ характеризуется коэффициентами усиления по току ki = Iн/Iу, по напряжению k = UН/IУRУ и по мощности kp = IнUН/IУ UУ = ki k.

Внешней характеристикой ЭМУ называется зависимость напряжения Uвых на выходе от тока Iн нагрузки при постоянном токе IУ управления. Подключение нагрузки приводит к снижению напряжения на зажимах ЭМУ за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении усилителя. Кроме того, выходное напряжение зависит от степени компенсации продольного потока:



где RПР — сопротивление обмотки ЭМУ по продольной оси; ? — коэффициент компенсации.

Внешние характеристики ЭМУ с возможными вариантами компенсации представлены на рис. 105, г\ 1 — полная компенсация напряжений за счет перекомпенсации потоков при ? = —RПР; 2 — полная компенсация потоков ? = 0 (Фк = Фпр); 3 — недокомпенсации ? > —RПР. Устойчивая работа системы ЭМУ— ИД достигается незначительной недокомпенсацией, так как значительная недокомпенсация приводит к уменьшению коэффициента усиления, а перекомпенсация — к самовозбуждению ЭМУ и аварии.

Динамика ЭМУ поперечного поля определяется инерционностью управляющей и поперечной цепей. B первом приближении передаточная функция ЭМУ может быть представлена двумя апериодическими звеньями:





Здесь k — коэффициент усиления ЭМУ по напряжению; ?а, Ту — постоянные времени поперечной и управляющей цепей;



где La, Ly — индуктивные сопротивления поперечной и управляющей цепей; R = RУ + Ri— суммарное активное сопротивление управляющей цепи RУ и источника входного сигнала Ri.

K преимуществам ЭМУ следует отнести: высокий коэффициент усиления по мощности (10а ... 105) и большой диапазон выходных мощностей (40 Вт ... 100 кВт); незначительную мощность возбуждения (доли ватта); высокую перегрузочную способность ЭМУ по току и напряжению, предопределяющую использование усилителей в системах с кратковременными многократными перегрузками; простоту формирования управляющего сигнала благодаря наличию нескольких обмоток управления и подаче на одну из них сигнала OC; большой ресурс работы ЭМУ (100 000 ч).

Существенным недостатком ЭМУ является наличие двух электрических машин и, как следствие, низкий КПД (0,5 ... 0,6), высокий уровень шума, обусловленный работой коллекторных контактных колец, необходимость в специальных мерах по улучшению коммутации, большие размеры. Следует также отметить значительную инерционность процессов в ЭМУ.

Назад | Содержание

| Вперед

Элементы цифровых следящих приводов

15.2. ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ

Блок выработки кода погрешности. ЦСП относятся к приводам замкнутого цикла, работающим по принципу сравнения кода заданного угла с кодом истинного угла, вырабатываемого по цепи OC. Следовательно, в качестве блока сравнения необходимо применить схему, обеспечивающую получение разности двух чисел. Применение обратного кода вычитаемого числа позволяет заменить операцию вычитания операцией суммирования, что значительно упрощает устройство блока сравнения. При этом уменьшаемое берется в прямом коде, а вычитаемое — в обратном. В результате в виде блока выработки кода погрешности применяют многоразрядные сумматоры накапливающего и комбинационного типов.

Рис. 155. Преобразователь ПК—ШИМ

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). В основу любого преобразователя положено суммирование токов, соответствующих весам разрядов преобразователя. ЦАП служит для преобразования цифровых сигналов в напряжение, используемое для непосредственного управления двигателями, ЭМП, реле и т. п.

В качестве элементной базы для построения ЦАП можно применить наиболее перспективный в настоящее время линейный ЦАП, построенный с использованием микросхемы ?572??1.

Преобразователь кода во временной интервал (ПК—ШИМ). Для преобразования кода в последовательность прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью служит ПК—ШИМ. Ha рис. 155, а представлена схема ПК—ШИМ, состоящего из счетчика импульсов, выполненного на микросхеме DD3, генератора импульсов G, RS-триггера и элемента И, выполненного на микросхеме DD2. Работа преобразователя синхронизируется импульсами, поступающими с блока управления. Код числа, подлежащий преобразованию, поступает на сигнальные шины установки кода (D1, D2, ...) счетчика DD3 и фиксируется в нем.

Триггер DD1 устанавливается в исходное (единичное) положение тактирующим старт импульсом с блока управления, задающим период T работы преобразователя. При этом сигнал с выхода триггера разрешает прохождение импульсов с генератора G через элемент совпадения DD2 на суммирующий вход счетчика.

Преобразование кода осуществляется суммированием поступивших импульсов. Диаграммы, изображенные на рис. 155, б, поясняют принцип преобразования.

При исходном коде, равном нулю, с приходом старт импульса, фиксирующего начало преобразования, счетчик работает на сложение (диаграмма 1). Под воздействием монотонно возрастающего кода счетчика старший разряд формирует импульс переполнения. Этот импульс переводит счетчик в нулевое положение (на диаграмме 1 состояние счетчика отображено пилообразным напряжением) и в виде стоп импульса (диаграмма 2), фиксирующего конец временного интервала, поступает на вход R триггера DD1. Триггер переключается в нулевое состояние и прекращает подачу импульсов в счетчик. С приходом нового старт импульса рабочий цикл повторяется. Поскольку триггер DD1 практически все время находится в единичном состоянии, скважность импульсов, снимаемых с его выхода, равна нулю (диаграмма 3).

При наличии в DD3 исходного кода, отличного от нуля, счетчик с приходом старт импульса начинает суммировать, но не с нуля, а с кода, зафиксированного в счетчике (диаграмма 4). Очевидно, что эта сумма будет соответствовать коду, обратному исходному. Поскольку крутизна нарастания кода счетчика осталась прежней, то момент переполнения счетчика, а следовательно, выработка стоп импульса наступит раньше окончания периода T (диаграмма 5). Чем больше будет исходный код, тем короче будет интервал времени и тем короче прямоугольные импульсы напряжения, получаемые на прямом выходе триггера DD1 (диаграмма 6).

Для получения прямоугольных импульсов, соответствующих исходному коду, выходной сигнал Uвых следует снимать с инверсного выхода триггера (диаграмма 7). Скважность импульсов определяется отношением ? = tи/T, где tи— интервал времени между стоп импульсом и следующим старт импульсом.



Цифровые преобразователи углов (ЦПУ). Эти преобразователи являются важными элементами ЦСП, так как, вырабатывая код истинного угла поворота выходного вала, они несут информацию о выполнении команды.



ЦПУ представляют собой сочетание измерительного преобразователя с электронным блоком. Назначение измерительного преобразователя — формирование связанного с углом поворота электрического сигнала в аналоговой или дискретной форме. Электронный блок обрабатывает полученную информацию и выдает ее в цифровой форме, т. e. выполняет функцию АЦП.

Широкое применение в ЦСП получили циклические преобразователи угла в код на основе CKBT.



Шаговые электродвигатели (ШД). Они относятся к дискретным ИУ и предназначены для преобразования каждого импульса команды на управляющем входе в строго фиксированное перемещение выходного вала, называемое шагом. Такой эффект получается за счет дискретного изменения состояния электромагнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором ШД. Принцип действия ШД можно пояснить с помощью поворотного электромагнита, изображенного на рис. 156, a и имеющего на статоре четыре явно выраженных полюса (зубца) с обмотками управления и один полюс (зубец) на роторе.



Рис. 156. Шаговый двигатель

Пусть в начальный момент времени импульс команды поступает на обмотку I и явно выраженный полюс ротора находится против полюса этой обмотки. При подаче управляющего импульса на обмотку II ротор, стремясь занять положение, при котором сопротивление магнитному потоку будет наименьшим, повернется на один шаг в 90° и будет удерживаться магнитным потоком в положении полюса обмотки II, пока по ней протекает ток. С подачей импульса на обмотку III ротор повернется еще на шаг по часовой стрелке и т. д.

Таким образом, управляющие импульсы, поступившие на обмотки в последовательности II—III—IV—I (рис. 156, б), заставят ротор за четыре такта повернуться на 360° по часовой стрелке. Реверс ШД обеспечивается изменением очередности коммутации обмоток (IV—III—II—I). Для уменьшения дискретности (шага) двигателя ротор делают с большим числом зубцов.

Так, на рис. 156, в ротор ШД имеет три зубца 1—3, расположенных под углом 120°. Если в таком ШД подать импульс на обмотку II, то ротор повернется на шаг, равный 22,5°, но против часовой стрелки, так как ближайшим к рабочей обмотке окажется зубец 2 ротора.



Полный поворот ротор сделает за 12 тактов и при коммутации обмоток II—III—IV—I.

В действительности переключение обмоток происходит с такой частотой, что ротор не успевает достигнуть состояния покоя относительно рабочей обмотки. В момент переключения обмоток он занимает определенное положение и имеет определенную скорость, зависящую от частоты переключения обмоток. Так, для обеспечения угловой скорости, нагрузки, равной 1 °/с, при статической погрешности не более 4” частота переключения обмоток должна быть f = 1·3600 : 4 = 900 Гц. Современные серийные ШД имеют частоту приемистости (переключения) до 1500 Гц и обеспечивают шаг в 1,5°.

Часто применяется одновременное коммутирование двух обмоток согласно диаграмме, представленной на рис. 156, г. Работа ШД происходит аналогично, но при повороте ротора его полюс устанавливается не под полюсом статора, а между двумя рабочими обмотками. Момент двигателя при этом возрастает в 2 раза.

Итак, переключение обмоток ШД вызывает отработку шага ротора со скоростью, зависящей от частоты переключения обмоток, и в направлении, определяемом законом коммутации. Закон коммутации обеспечивается блоком управления (коммутатором), входящим в состав электронного усилителя.

Показанный на рис. 156, в ШД имеет ротор, выполненный из магнитомягкого материала, и называется ШД с реактивным ротором. В отличие от него ШД с ротором в виде постоянного магнита называют ШД с активным ротором, так как в создании электромагнитного поля участвует и ротор. Рассмотренные ШД характеризуются большими моментами вращения, но имеют сравнительно большой шаг (не менее 22,5°) и небольшую приемистость (до 300 Гц). Кроме того, для коммутации обмоток такого ШД требуется более сложный блок управления, вырабатывающий знакопеременные импульсы напряжений.

К достоинствам ШД с активным ротором следует отнести сохранение магнитной фиксации ротора при обеспечении обмоток за счет магнитного потока ротора. Разработанный в последнее время метод электронного дробления шага позволяет расширить частотный диапазон ШД и улучшить плавность движения.

Назад | Содержание

| Вперед

Энергетический расчет

16.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Анализ динамических свойств отдельных элементов СП проводился из условия неограниченных энергетических возможностей, т. e. линейности статических характеристик элементов во всем диапазоне регулирования. Ha самом деле возможности элементов ограничены. Например, двигатели обладают предельными скоростями и ускорениями. Если выбрать двигатель с малым запасом мощности, то в реальных условиях эксплуатации он не обеспечит отработку заданного закона движения, что приведет к увеличению погрешностей привода. Кроме того, завышение мощности двигателя уменьшает КПД привода, приводит к увеличению массогабаритных размеров привода и его стоимости. Поэтому выбор элементов с точки зрения энергетических возможностей важен для обеспечения работоспособности привода в целом.

Целью энергетического расчета является оценка потребности СП в энергии. А так как основным потребителем энергии является ИУ, то расчет привода начинают с выбора ИУ и связанных с ним функционально элементов, образующих силовую часть привода. Выбор силовой части влияет прежде всего на выбор источников питания, структурную схему привода и на его технико-экономические показатели.

B общем случае энергетический расчет включает следующие этапы:

анализ области применения, закона движения OP и характеристик возмущающих моментов;

определение требуемого момента и типа ИУ;

расчет мощности и выбор ИУ по требуемым максимальным значениям параметров движения и мощности, определение передаточного числа редуктора, выбор типа усилителя мощности;

сопоставление требуемых и располагаемых характеристик силовой части привода;

проверка правильности выбора ИУ по перегрузочной способности и тепловому режиму;

выбор типа источника питания;

выбор управляющего устройства.

Некоторые из перечисленных этапов энергетического расчета могут быть исключены заданием типа устройств, источников питания, характеристик нагрузки, а иногда и самого ИУ. При проверке пригодности ИУ ограничимся учетом только перегрузочной способности.

Перейдем к более подробному рассмотрению отдельных этапов энергетического расчета.

Закон движения выходного вала в общем случае зависит от функционального назначения OP и задается предельными значениями угловой скорости ?? и ускорения ?? нагрузки. Параметры эквивалентного гармонического сигнала согласно выражениям (11)—(13) могут быть определены как ?0 = ??/?р, ?0 = ?2Н/?? и ?р = ??/??.

Закон движения выходного вала и тип нагрузки определяют нагрузочные характеристики привода. Пренебрегая распределенным характером приложенной к разным точкам СП нагрузки, ее параметры приводят к валу ИУ и рассчитывают требуемый момент по формуле (63), а требуемую мощность — по формуле (62). Значение рассчитанной мощности ложится в основу выбора ИУ. При определении типа ИУ, в качестве которых могут быть электродвигатели, гидродвигатели и электромагнитные муфты, сопоставляют характеристики, преимущества и недостатки отдельных устройств и анализируют условия эксплуатации при учете специальных требований.

При выборе элементов силовой части электромашинного СП руководствуются стандартами на выпускаемые промышленностью электродвигатели и ЭМУ. При выборе гидравлических приводов на этапе энергетического расчета определяют не только требуемые расходы, перепады давлений, но и конструктивные параметры гидравлических устройств.

Следует отметить различие в исходных характеристиках, используемых при выборе и расчете исполнительных устройств: у электродвигателей базовыми являются механические характеристики, а у гидродвигателей — диаграммы нагрузки.

В первом случае стремятся обеспечить выполнение неравенства Ртр ? РНОМ, где Ртр — мощность, которая требуется на валу двигателя для управления OP; РНОМ — мощность, которой располагает двигатель. Bo втором случае необходимо обеспечить выполнение неравенства



где МТР, ?ТР — момент и скорость, которые требуется обеспечить; Мр — момент, которым располагает двигатель.

Так как левая часть выражения (320) описывает диаграмму нагрузки, а правая — механическую характеристику исполнительного устройства при максимальных значениях параметров, то для обеспечения нормальной работы привода располагаемая характеристика должна проходить выше диаграммы нагрузки или касаться ее в одной точке Мк, называемой критической.



Как видно из рис. 163, иллюстрирующего возможные случаи сопряжения диаграммы нагрузки и располагаемой характеристики, только две характеристики 2 и 3 обеспечивают движение по заданному закону, причем характеристика 3 с некоторым энергетическим запасом. Исполнительное устройство с характеристикой 1 обеспечить движение по заданному закону не может, так как на определенном участке характеристики располагаемые моменты этого устройства меньше требуемых моментов, обусловленных диаграммой нагрузки.



Рис. 163. K выбору исполнительных устройств

Выбор электродвигателя заключается в подборе по каталогу типа двигателя по рассчитанной мощности, быстроходности и напряжению питания. При определении рода тока ИД ориентировочно исходят из оценки требуемой мощности, заданного диапазона регулирования и наличия кратковременных перегрузок. При мощностях меньше 100 Вт предпочтение отдают надежным, малогабаритным и безынерционным двигателям переменного тока типа АДП, ДГ, ДИД, ЭМ. При больших мощностях выбирают двигатели постоянного тока типа МИ, ДИ, СП. При наличии больших кратковременных перегрузок и регулирования частоты вращения двигателя в широких пределах в СП малой мощности целесообразно применять двигатели постоянного тока. Двигатели серии МИГ, ПЯ, ДПР, отличающиеся малой инерционностью, плавностью работы и большим пусковым моментом, успешно конкурируют с асинхронными двигателями, несмотря на наличие коллектора и щеточного контакта.

При выборе двигателя иногда приходится принимать компромиссные решения, например по выбору частоты вращения, поскольку в каталогах при одной и той же мощности представлены двигатели с разными частотами вращения. Для обеспечения конструктивных требований целесообразно использовать более быстроходные двигатели, имеющие значительно меньшие массу и размеры и обеспечивающие более компактную конструкцию механизма, несмотря на увеличение передаточного числа редуктора. С точки зрения выполнения условия по механической перегрузке (МТР/М???<2) следует выбрать двигатель с меньшей частотой вращения, но обладающий большим номинальным моментом.



Примером могут служить двигатели МИ-12 (nном= 3000 мин -1; М??? = 0,65 H·м) и МИ-21 (nном = 2000 мин -1; М??? = 0,97 Н·м), обеспечивающие одинаковую мощность Рном = 0.2 кВт. В этом случае надо определить, какое требование важнее.

При выборе напряжения питания исходят из условий эксплуатации, оговоренных в T3 на проектирование. Как правило, используют постоянный ток напряжением 26...27 B или переменный ток напряжением 115/220 B частотой 400 Гц и 40 B частотой 1000 Гц.

Правильность выбора электродвигателя проверяют в соответствии с методикой, изложенной в п. 5 гл. 3. Выбор передаточного числа редуктора зависит от передаваемого усилия и типа ИД. Для двигателей постоянного тока, момент инерции которых превышает приведенный к оси ИД момент инерции нагрузки, в соответствии с (64) определяют оптимальное передаточное число редуктора, обеспечивающее наилучшую передачу мощности:



Заметим, что числитель подкоренного выражения характеризует нагрузку, знаменатель — момент, создаваемый двигателем. B приборных СП, работающих при незначительных перегрузках, передаточное число выбирают в первом приближении таким, чтобы двигатель имел номинальную скорость при максимальной скорости нагрузки: i = ????/??.

Тип и мощность выбранного ИД предопределяет выбор типа усилителя мощности: транзисторного в линейном или ключевом режиме, тиристорного, генераторного или электромашинного. Для двигателей серии МИ, СЛ, ДПМ, выдерживающих значительные перегрузки по моменту и скорости, используют ЭМУ, который выбирают из условия обеспечения номинального напряжения и номинального тока двигателя по методике, изложенной в гл. 8.

Назад | Содержание

| Вперед

Классификация электроприводов

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Различают следующие виды электроприводов (рис. 2):

по pоду тока — ЭП постоянного тока с ЭД постоянного тока и ЭП переменного тока с ЭД переменного тока;

по структуре — разомкнутый, не имеющий OC, замкнутый и комбинированный;

по виду УПУ — транзисторный, преобразовательным устройством которого является транзисторный усилитель; тиристорный с преобразователем на тиристорах; электромашинный каскад, в котором для преобразования мощности используется электромашинный усилитель-система «управляемый выпрямитель — двигатель» (УВ — Д), преобразовательным устройством которой является регулируемый выпрямитель или регулируемый выпрямитель и инвертор; система «генератор — двигатель» (Г—Д), преобразовательным элементом которой служит электромашинный преобразовательный агрегат;

Рис. 1. Структура электропривода

по типу передаточного устройства — редукторный, передаточное устройство которого содержит редуктор; безредукторный; электрогидравлический, имеющий гидравлическое передаточное устройство, и с электромагнитной порошковой муфтой (ЭПМ), выполняющей роль передаточного механизма;

по характеру изменения параметров ЭП — нерегулируемый, параметры которого изменяются от возмущающих воздействий, и регулируемый, параметры которого изменяются только под действием управляющего устройства.

Наиболее совершенным видом регулируемого ЭП является автоматизированный ЭП, определяемый как регулируемый ЭП с автоматическим регулированием параметров. Автоматизированный ЭП строится по замкнутому циклу регулирования, основанному на сравнении информации, поступившей извне от ЗУ с информацией о регулируемом параметре. Дальнейшую классификацию ЭП будем рассматривать более подробно и только применительно к автоматизированному ЭП.

По роду задачи регулирования различают ЭП со стабилизированным параметром, программно-управляемый и следящий.

ЭП со стабилизированным параметром служит для поддержания какого-либо параметра на заданном уровне. Например, для поддержания уровня освещенности в объекте регулирования можно применить ЭП, представленный на рис. 3, а.

Регулирующим органом в объекте регулирования OP являются шторки, угловое положение которых определяет световой поток. Управляющее устройство выполнено в виде мостовой схемы, в одно из плеч которой включен фоторезистор Rф для измерения фактической освещенности. В смежное плечо включен реостат Rзад для задания уровня освещенности.

Настройка моста осуществляется по току гальванометра Г, включенного в измерительную диагональ. Если освещенность равна заданной, то ток гальванометра равен нулю. При отклонении освещенности от заданного значения по гальванометру протекает ток, создающий момент вращения и поворачивающий рамку гальванометра. Вместе с рамкой поворачивается жестко с ней связанный движок потенциометра RE, преобразующий угловое перемещение рамки в электрический сигнал. Сигнал с потенциометра, усиленный усилителем А, приведет в действие электродвигатель M. Последний с помощью редуктора q приоткроет или закроет шторки диафрагмы OP в зависимости от отклонения освещенности.



Рис. 2. Классификация электроприводов

Программно-управляемый ЭП служит для изменения того или иного параметра по заранее заданной программе. Примером может служить привод копировально-фрезерного станка (рис. 4).



Рис. 3. ЭП со стабилизированным параметром



Рис. 4. Программно-управляемый ЭП

Программа в станке задается профилем шаблона 8, выполненного по форме готовой детали. Шаблон перемещается в горизонтальном направлении со скоростью vш и поднимает щуп 7. Перемещение щупа с помощью реечной пары б и сельсина BC преобразуется в электрический сигнал и поступает в УУ, в котором этот сигнал сравнивается с сигналом сельсина BE, дающего информацию о положении фрезы 2. При наличии рассогласования сигнал ошибки усиливается усилителем A и подается на электромеханический преобразователь 5, который перемещает золотник распределителя 4. Полости гидроцилиндра 3 соединяются с источником питания таким образом, что поршень начинает двигаться в сторону уменьшения рассогласования, перемещая фрезу по заготовке 1 в вертикальном направлении.



Необходимым условием правильного технологического процесса обработки является обеспечение синхронности перемещения шаблона и заготовки в горизонтальном направлении, т. e. равенство скоростей vш = vв.

Так как фреза «следит» за положением щупа, то заготовка превращается в деталь заданной формы с некоторым допуском, определяемым погрешностью работы ЭП и точностью шаблона. Необходимость изготовления нового шаблона затрудняет переход от обработки на станке деталей одного вида к обработке деталей другого вида. Замена шаблона программой, записанной на перфо - или магнитной ленте, устранила указанный недостаток и привела к созданию станков e числовым программным управлением (ЧПУ). Станки с ЧПУ получили распространение в металлообрабатывающей промышленности, где они позволяют получать детали сложной формы при высокой точности и производительности.



Рис. 5. Функциональная схема СП

Следящий электропривод (СП) отрабатывает изменение выходного параметра в соответствии G произвольно меняющимся задающим сигналом. Ha рис. 5 показана схема СП, управляющего положением суппорта станка. Главная задача СП — согласование вращения двух валов, механически между собой не связанных. Входной вал 1, вращаемый от задающего устройства ЗУ на пульте управления, называется задающим, а закон его движения — управляющим. Выходной вал 2, повторяющий движение задающего вала и связанный с OP (суппортом станка), называется исполнительным или следящим. От разности ? — ? угловых положений задающего и исполнительного валов зависит управляющий сигнал, вырабатываемый с помощью измерителя рассогласования на двух вращающихся трансформаторах (BT). Один BT (датчик TC) связан с задающим валом, другой BT (приемник TE) связан с исполнительным валом.

Напряжение рассогласования U?, снимаемое с ВТ-приемника и пропорциональное разности ? — ?, поступает на вход усилителя A, а затем подается на исполнительный двигатель M. Двигатель через редуктор q перемещает суппорт станка и одновременно ВТ-приемник в направлении уменьшения ошибки рассогласования.



B момент, когда суппорт достигает согласованного положения (? = ?), напряжение управления Uy становится равным нулю, и двигатель останавливается.

По виду управляющего сигнала ЭП разделяют на ЭП с непрерывным управлением и ЭП с дискретным управлением.

ЭП с непрерывным управлением, характеризуется непрерывным во времени формированием и передачей управляющего сигнала и регулированием частоты вращения ЭД за счет плавного изменения напряжения, подведенного от источника питания.

Устройство и принцип работы такого привода были рассмотрены на примере регулятора освещенности (см. рис. 3, а). Существенным недостатком такого ЭП является наличие момента трения в потенциометре (между щеткой и обмоткой), соизмеримого с моментом вращения гальванометра. Момент трения понижает чувствительность гальванометра и увеличивает статическую погрешность ЭП.

Для ослабления влияния нагрузки и уменьшения погрешности вводят дискретный элемент в виде подпружиненной падающей дужки (см. рис. 3, б). Дужка жестко связана о движком потенциометра и касается нижней плоскостью поверхности вращающегося кулачка. В момент, когда кулачок занимает положение, указанное на рисунке, движок опускается на потенциометр и происходит мгновенный съем сигнала. Ha усилитель A управляющий сигнал поступает в виде импульса, а так как кулачок вращается с постоянной скоростью, то импульсы поступают периодически. Управляющий сигнал приобретает дискретный характер, а изменение частоты вращения ЭД достигается путем периодического подключения (при наличии импульса) и отключения его (при отсутствии импульса) от источника питания.

Благодаря импульсному съему сигнала потребляемая ЭП мощность понижается, а статическая точность повышается, так как в таком ЭП движок потенциометра перемещается без нагрузки и не воздействует на гальванометр.

Привод, в котором управляющий сигнал формируется и передается в дискретные моменты времени, называется приводом с дискретным управлением. Если управляющий сигнал представляет собой периодическую последовательность импульсов, то ЭП называется импульсным.



Если ширина импульса непостоянная и формирование импульса зависит от определенного уровня управляющего сигнала, то такой ЭП является релейным. И, наконец, если управляющий сигнал имеет цифровую форму, то ЭП называется цифровым.

Применением указанных методов управления можно добиться непрерывного или прерывистого движения выходного вала. По указанному признаку различают ЭП непрерывного и дискретного действия. Непрерывный метод управления обеспечивает только непрерывную отработку, а релейный — только дискретную. При импульсном методе управления возможны оба вида движения выходного вала в зависимости от частоты посылки импульсов или от типа ЭД. Если частота импульсов большая, движение вала непрерывное, так как ЭД вследствие инерционности не успевает реагировать на управляющий сигнал. При низкой частоте импульсов движение выходного вала может быть прерывистым.



Рис. 6. Статические характеристики элементов

И, наконец, применение шагового двигателя в качестве ЭД обеспечивает поворот вала на строго фиксированные углы (дискретную отработку).

Деление ЭП на линейные и нелинейные проводят в зависимости от математического описания движения привода (его дифференциального уравнения). Входящие в ЭП элементы также разделяют на линейные и нелинейные. K линейным относят те элементы, которые характеризуются непрерывной линейной зависимостью выходного сигнала от входного хвых = kхвх, где k — постоянная величина, называемая передаточным коэффициентом. Линейная статическая характеристика имеет вид прямой, проходящей через начало координат под углом ? = arctg k (рис. 6, а).

Как правило, элементы ЭП не обладают строгой линейностью, в большинстве случаев их характеристики нелинейны. При определенных условиях эти нелинейности могут сказаться на устойчивости и качестве ЭП. Однако если отклонения статических характеристик незначительны и они не оказывают влияния на поведение всего привода в целом, то для небольшого диапазона изменений входной величины ?хвх участок фактической кривой 3 можно заменить касательной 1 или секущей 2 (рис. 6, б).



Такой прием носит название линеаризации статической характеристики.

Линеаризация характеристики возможна, если описывающее ее уравнение хвых = kхвх справедливо в течение всего интервала времени регулирования, характеристика непрерывна и в ней отсутствуют резкие перегибы. Практически не все характеристики можно линеаризовать без потери каких-либо существенных свойств элемента. Например, характеристика, представленная на рис. 6, в, вследствие наличия зоны нечувствительности ? линеаризации не поддается. Про элемент с такой характеристикой говорят, что он существенно нелинеен. Источниками существенных нелинейностей в ЭП являются: трение в сочленениях, зазоры в редукторах, ограничения сигналов на входе или выходе и т. п.

Линейным называется ЭП, содержащий линейные или линеаризуемые элементы. Движение такого ЭП описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

ЭП, содержащий хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейным, к нему не применимы линейные методы расчета.

Назад | Содержание

| Вперед

Корректирующие устройства постоянного и переменного toka

9.5. КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО TOKA

КУ постоянного тока. К ним относят рассмотренные выше пассивные RC - контуры (см. табл. 4) и активные КУ осуществляющие интегрирование и дифференцирование медленно меняющихся сигналов постоянного тока. Коррекция цепей переменного тока не может быть осуществлена теми же пассивными контурами вследствие наличия в сигнале переменного тока несущей составляющей с частотой, намного превышающей частоту огибающей сигнала. B таких цепях RС - контур будет реагировать на скорость изменения не полезного сигнала, а несущего, поскольку для него конденсаторы имеют меньшее сопротивление XС = 1/(2?fC).

КУ переменного тока. Коррекция СП переменного тока значительно сложнее и может быть осуществлена с помощью КУ постоянного тока с двойным преобразованием сигнала (предварительной демодуляцией и последующей модуляцией), КУ, работающих на несущей частоте, и КУ синхронного типа.

Способ демодуляции — коррекция — модуляция (рис. 116) — наиболее применимый для цепей переменного тока, так как реализуется с помощью простых и надежных КУ постоянного тока. Использование демодулятора в КУ позволяет осуществить его работу на огибающей сигнала с подавлением несущей благодаря вводу информации о несущей частоте в опорное напряжение UОП. Передаточная функция КУ в этом случае имеет вид

где kдМ, kм, kK — коэффициенты передач соответственно демодулятора UR, модулятора UB и контура.

В некоторых случаях учитывают и инерционность, вносимую модулятором и демодулятором и обусловленную применением фильтров.

Достоинствами данного способа коррекции являются независимость преобразований от изменения несущей частоты и устранение квадратурной составляющей e помощью демодулятора. Недостатки заключаются в усложнении усилителя, появлении дополнительных гармонических составляющих на выходе демодулятора и запаздывании, вносимом фильтром после демодулятора.

КУ переменного тока на несущей частоте реагируют на скорость изменения огибающей сигнала рассогласования без подавления несущей.

Это достигается усложнением электрических контуров: применением одинарного и двойного Т - образного контуров или заменой в обычном RC-контуре конденсатора емкостью C эквивалентной ветвью из конденсатора емкостью С/2 и катушки с индуктивностью L = 2(?2С). В результате электрический контур преобразуется в колебательный, настроенный на несущую частоту. Использование КУ переменного тока значительно упрощает усилительные устройства, не требует стабильности несущей частоты и тщательного подбора элементов схемы. Однако сами контуры сложны по устройству и громоздки, так как содержат индуктивности, и с их помощью можно реализовать небольшое число передаточных функций. Указанные недостатки ограничивают применение КУ переменного тока.



Рис. 116. КУ с двойным преобразованием

Назад | Содержание

| Вперед

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арменский E. В., Фалк Г. Б. Электрические микромашины. M.: Высшая школа, 1985. 280 с.

2. Ахметжанов A. A. Высокоточные системы передачи угла автоматических устройств. M.: Энергия, 1975, 288 с.

3. Гамынин H. C. Гидравлический привод систем управления, M.: Машиностроение, 1972. 376 с.

4. Лещенко B. A. Гидравлический следящий привод станков с программным управлением. M.: Машиностроение, 1975. 288 с.

5. Нейман B. Г. Гидроприводы авиационных систем управления. M.: Машиностроение, 1973. 200 с.

6. Основы проектирования следящих систем/Под ред., H.  A.  Лакоты. M.: Машиностроение, 1978. 392 с.

7. Разинцев B. И. Электрогидравлические усилители мощности» M.: Машиностроение, 1980. 120 с.

8. Следящие приводы/Под ред, Б. K. Чемоданова, M.: Энергия, 1976. Кн. 1. 480 c.; Кн. 2. 384 с.

9. Смирнова B. И., Петров Ю. A., Разинцев B. И. Основы проектирования и расчета следящих систем. M.: Машиностроение, 1983. 296 с.

10. Справочник по автоматизированному приводу/Под ред. B. A. Елисеева и A. B. Шинянского. M.: Энергоиздат, 1983. 616 с.

11. Титце У., Шнек К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство/Пер. с нем. M.: Мир, 1983. 512 с.

12. Федорков Б. Г., Телец B. A., Дектяренко B. П. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. M.: Радиосвязь, 1984 (Б-ка «Электроника»). Вып. 41. 116 с.

13. Цифровые системы управления электроприводом/А. A, Батоврин, П. Г. Дашевская, B. Д. Лебедев и др. Л.: Энергия, 1975. 288 с.

14. Шило B. JI. Линейные интегральные схемы. M.: Советское радио, 1979, 366 с.

15. Электрогидравлические следящие системы/Под ред. B, A, Хохлова. M.: Машиностроение, 1971. 154 с.

16. Электромеханические системы управления. Л.· Наука, 1971. 15 с,

17. Электронная техника в автоматике/Под ред. Ю. И. Конева. M.: Радио и связь, 1981. Вып. 12. 302 с.

18. Электропривод систем управления летательных аппаратов/Под ред, Б. H. Петрова. M.: Машиностроение, 1973. 360 с.

Содержание

Механический дифференциал

4.2. МЕХАНИЧЕСКИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛ

В СП с механической обратной связью в качестве УУ находят применение механические дифференциалы (МД). По конструкции МД подразделяют на конический шестеренный (рис. 47, а) и винтовой (рис. 47, б).

Как видно на рис. 47, а, конический МД состоит из двух независимых приводных конических зубчатых колес 2 и 4, связанных соответственно с задающей и исполнительной осями СП, и двух сателлитов 1, 3, жестко соединенных крестовиной, ось 5 которой свободно проходит через втулку колеса 4 и является выходной осью устройства. При вращении колес 2 и 4 в противоположные стороны с одинаковыми скоростями сателлиты и связанная с ними ось 5 будут неподвижны. При отставании или опережении одного из колес на выходной оси выделяется разность углов поворота ? = ? — ?, являющаяся углом рассогласования.

В винтовом МД (рис. 47, б), состоящем из гайки 1 и винта 2, при наличии рассогласования винт перемещается относительно закрепленной в горизонтальном направлении гайки вправо или влево в зависимости от знака рассогласования.

Рис. 47. Механический дифференциал

Конструкция МД должна полностью исключать возможность непосредственной передачи энергии и реактивных крутящих моментов со стороны выходного звена на вход МД.

Достоинствами МД являются высокая надежность и наличие вращательного и поступательного видов движения выходного элемента. Однако МД свойственны все недостатки механических редукторов: трение, низкая износоустойчивость и ограниченный ресурс работы, низкая точность, обусловленная зазорами и технологическими погрешностями изготовления зубчатых колес и несовершенством сборки (несовпадение осей вращения с геометрическими осями, отклонение от перпендикулярности). Кроме того, с помощью МД нельзя осуществить дистанционную передачу, так как для его работы требуется непосредственная близость задающей и исполнительной осей привода. Поэтому основное применение МД находят в гидравлических устройствах для создания внутренних обратных связей, например в гидроприводе, с объемным регулированием или электрогидравлическом усилителе. В остальных случаях применения МД требуется дополнительное устройство для преобразования механического сигнала в электрический.

Назад | Содержание

| Вперед

Методы повышения точности

4.5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ

Погрешность СП складывается из погрешности слежения и из погрешностей, присущих отдельным элементам, в том числе сельсинам. Из всех рассмотренных выше погрешностей сельсинов (в меньшей степени BT) наиболее существенной является инструментальная, определяемая классом точности преобразователя. Уровень остаточного напряжения ?U, соответствующий погрешности (рис. 50, а), при небольших углах рассогласования превышает уровень полезного сигнала U?, и СП начального рассогласования «чувствовать» не будет. Влияние погрешности можно уменьшить, увеличивая крутизну статической характеристики ИР за счет введения редуктора в двухканальной (двухскоростной) системе измерителя (рис. 50, б). Редуктор позволяет резко увеличить снимаемое напряжение при тех же значениях погрешности и уменьшить влияние неточности изготовления сельсинов. Измерительная схема в этом случае (рис. 51, а) состоит из двух пар сельсинов. Одна пара сельсинов BC1 и BE1 связана с задающим и исполнительным валами СП непосредственно, а другая пара сельсинов BC2 и BE2 — через редуктор. Передаточное число iр редуктора выбирают таким, чтобы сельсины второй пары вращались быстрее. Они образуют канал точного отсчета (TO) в отличие от канала грубого отсчета (ГО) с передачей угла в масштабе 1 : 1.

При повороте задающего вала на угол ? датчик канала ГО повернется на тот же угол, а датчик канала TO — на угол iр?. Рассогласование между сельсинами по каналу TO вследствие этого увеличится в iр раз, что способствует повышению крутизны характеристики и чувствительности схемы (см. рис. 50, б). Напряжения на зажимах однофазных обмоток сельсинов:

где ?UГО и ?UТО — напряжения, определяемые неточностью изготовления сельсинов.

Рис. 50. График выходного напряжения ИР

Рис. 51. Двухотсчетный ИР

Оба напряжения поступают на вход синхронизирующего устройства A1 (см. рис. 51, а), подключающего один из каналов к усилителю A2 СП. Исполнительный двигатель M, отрабатывая рассогласование, будет вращать выходной вал привода и принимающие сельсины до тех пор, пока оба снимаемых напряжения не станут равными нулю.

Однако в положении согласования роторы сельсинов BE по обоим каналам будут повернуты относительно роторов сельсинов BC на углы, определяемые собственной погрешностью сельсинов. При использовании сельсинов одного класса точности (?UГО = ?UТО = ?U) погрешность передачи угла согласно (158) и (159) по каналу ГО ??? = ?U/k?, по каналу TO ?Т? = ?U/k?ip.

Из сравнения полученных выражений следует, что



Точность измерения угла рассогласования по сравнению с одноканальной трансформаторной передачей увеличилась в гр раз, Однако с повышением скорости, а следовательно, и крутизны статической характеристики период изменения выходного напряжения уменьшается, и одному периоду напряжения канала ГО будет соответствовать некоторое число периодов изменения напряжения канала TO, равное передаточному числу iр. Так, при iр = 2 (рис. 51, б) за половину периода напряжения U?? напряжение UТ? пройдет полный период изменения, Способность к самосинхронизации в пределах одного оборота по каналу TO сохраняется, но диапазон самосинхронизации в пересчете и каналу ГО сокращается в iр раз.

В результате в пределах ±180° у привода появляется iр — 1 устойчивых ложных нулей. Например, при iр = 2 привод, будучи рассогласован на угол 90° < ? < 270°, отрабатывает к положению ? = 180°, являющемуся дополнительным ложным нулем ЛН канала TO. Для устранения ложных согласований и обеспечения нормальной работы СП при больших углах рассогласования служит канал ГО. Работа двухскоростной системы ИР строится так, что при небольшой погрешности рассогласования выходной сигнал снимается с канала TO, а при большом рассогласовании — с канала ГО, обеспечивающего синхронизацию в пределах полного оборота.

Как видно из графика зависимости выходного сигнала от угла рассогласования (рис. 51, б), влияние неточности изготовления сельсинов на малых рассогласованиях уменьшено за счет увеличения крутизны характеристики. В этом преимущество двухскоростной системы измерителя. Ha графике отмечен угол переключения ?ТО, при котором происходит смена работы каналов измерителя.



Практически СП работает от канала TO, осуществляя режим слежения. Канал ГО подключается только при отработке больших рассогласований, которые могут возникнуть в моменты включения или в режиме переброски, когда задающий вал останавливается, а исполнительный вал продолжает вращаться.

При проектировании двухскоростного ИР существенное значение имеет выбор передаточного числа механического редуктора. C точки зрения повышения точности СП выгодно применять большее передаточное число редуктора Ho беспредельно его увеличивать нецелесообразно, так как при этом возрастают размеры редуктора и связанные с ними погрешности механической передачи: неточность изготовления зубчатых колес, неточности сборки, зазоры и т. п. Эти погрешности могут достигать нескольких минут. Так, при выполнении редуктора по 6-й степени точности погрешность, обусловленная неточностью их изготовления [2], ?р = 2 ... 5'. Погрешность от зазора ?З = 0,5 ... 1'. C учетом угловой погрешности механического редуктора погрешность следования системы, определяемая по (160), будет иметь вид



где ?ГО — погрешность сельсинов, определяемая классом точности; ?р (iр) — погрешность редуктора с передаточным числом iр, зависящая от степени точности изготовления колес.

Как следует из выражения (161), увеличение передаточного числа iр дает существенное уменьшение погрешности до тех пор, пока ?ТО не становится соизмеримой с погрешностями механического редуктора.



Рис. 52. Графики, поясняющие работу двуотсчетной системы

K примеру, если при заданном ?ГО = 40' выбрать редуктор с iр = 40, ?р (iр) = 4', ?З = 0,8', то ?ТО = 40 : 40 + 4 + 0,8 = 5,8'. Если применить редуктор с iр = 60, ?р (iр) = 5', ?З = 1', то ?ТО = 40 : 60 + 5 + 1 = 6,67'.

Кроме того, повышение скорости сельсинов сказывается и на динамической погрешности, поэтому для приборных редукторов, связывающих сельсины ГО и TO, рекомендуется использовать передаточные числа iр = 10 ... 40.

Существенным для ИР является также выбор четного или нечетного передаточного числа редуктора.



Для простоты пересчета углов передаточное число должно быть четным. Ho, как видно из рис. 52, а, при этом появляется вероятность ложного согласования по углу ? = 180°, так как неустойчивый нуль канала ГО совпадает с устойчивым нулем канала TO (при нечетном iр такой вероятности не существует). При рассогласованиях в СП, отвечающих условию 180° — ?П < ? < 180° + ?П и при UTO > UГO привод по точному отсчету будет обеспечивать согласование к ближайшему устойчивому нулю, т. e. к 180°. B действительности между выходным и задающим валами будет рассогласование в 180°, и в дальнейшем движение задающего вала будет отрабатываться с такой погрешностью.

Чтобы устранить ложный нуль, к выходному напряжению канала ГО добавляют напряжение смещения UCM, снимаемое с вторичной обмотки маломощного трансформатора (сплошная кривая на рис. 57, б). B этом случае при б = 180° напряжение канала ГО U’ГO = UГO + UСМ больше напряжения UТO, и привод будет согласовываться по каналу ГО к устойчивому истинному нулю. Однако смещение напряжения приводит к тому, что в согласованном положении напряжение канала ГО не равно нулю, U’ГO = UСМ. Для устранения этого явления статор передающего сельсина ГО разворачивают относительно статора принимающего сельсина на угол



где Umax— амплитуда выходного напряжения. Выходное напряжение канала ГО в этом случае



напряжения по обоим выходам при ? = 0° будут равны нулю и кривая UГО (рис. 57, в) сместится вправо на угол ?.

Назад | Содержание

| Вперед

Многокаскадные электрогидравлические усилители мощности

7.3. МНОГОКАСКАДНЫЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

С увеличением мощности гидравлического потока, управляемого однокаскадным ЭГУ, возрастает требуемая мощность ЭМП. Это обусловлено увеличением смещения подвижной части ГР для обеспечения больших площадей проходных сечений, а также увеличением массы подвижной части ГР, гидростатических и гидродинамических сил, действующих на подвижную часть ГР, и жестко связанного с ней якоря ЭМП.

Рост мощности ЭМП приводит к ухудшению его динамических характеристик, увеличению массы и размеров и повышению мощности электронного усилителя, управляющего ЭМП. В быстродействующих ЭГСП при увеличении, мощности ГИУ в ЭГУ вводится дополнительный гидравлический каскад усиления. Таким образом, вместо мощного крупногабаритного и тяжелого ЭМП с низкими динамическими характеристиками применяется комбинация маломощного быстродействующего ЭМП e гидравлическим устройством предварительного усиления, в качестве которого может быть использован один из дросселирующих ГР, рассмотренных выше. Такая комбинация помимо высоких динамических характеристик обеспечивает и существенно большую жесткость к нагрузке на распределительной части ЭГУ, чем ЭМП в случае однокаскадной схемы (так называемое детектирующее свойство ЭГУ — однонаправленность прохождения управляющего сигнала от электронной части ЭГСП к ГИУ).

Выбор однокаскадной или двухкаскадной схемы ЭГУ определяется не только мощностью управляемого ГИУ, но и полосой частот, в которой задаются динамические характеристики ЭГСП.

Принципиальные схемы наиболее распространенных типов двухкаскадных ЭГУ приведены на рис. 71—73. В дальнейшем будем рассматривать двухкаскадные ЭГУ, у которых в качестве второго каскада используется четырехщелевой дросселирующий гидрораспределитель в виде цилиндрического золотника. Принципиально в качестве второго каскада можно использовать и плоский золотник. Однако для рассмотрения принципа работы ЭГУ и анализа его статических и динамических характеристик конструктивная схема ЗГР второго каскада не имеет значения.

Многокаскадные ЭГУ по способу управления координатой ГР выходного каскада подразделяют на ЭГУ с позиционирующими (с «синхронизирующими») пружинами (ЭГУ (СП)) и ЭГУ с обратной связью (ЭГУ (OC)).

ЭГУ (СП) — это усилители, в которых значение координаты ГР выходного каскада пропорционально перепаду давлений, создаваемому управляющим каскадом.

ЭГУ (OC) — это усилители, в которых перемещение ГР выходного каскада вызывает изменение дросселирующих щелей управляющего каскада. Управляющий каскад многокаскадного ЭГУ в принципе может быть и двухкаскадным. В этом случае под дросселирующими щелями управляющего каскада будем подразумевать дросселирующие щели ГР второго каскада.

Если изменение дросселирующих щелей управляющего каскада происходит вследствие кинематической связи выходного и управляющего каскадов, то такая OC называется кинематической OC (KOC); иногда ее называют гидравлической OC (ГОС). Если изменение дросселирующих щелей управляющего каскада при движении выходного каскада происходит вследствие изменения баланса' сил (или моментов) на ЭМП, то такая OC называется механической (MOC). Если изменение дросселирующих щелей управляющего каскада при движении выходного каскада происходит вследствие изменения управляющего сигнала на обмотках ЭМП, то такую OC называют электрической OC (ЭОС).

Двухкаскадный золотниковый ЭГУ с цилиндрическим ЗГР на первом каскаде и с кинематической или гидравлической обратной связью — ЭГУ (KOC) или ЭГУ (ГОС) — работает следующим образом (рис. 71, а). При подаче управляющего сигнала на обмотки 1 ЭМП на его валу развивается момент, пропорциональный этому сигналу. Вдоль оси золотника 3 возникает усилие, которому противодействуют усилие пружин 2 и гидродинамическая сила. Смещение золотника 3 от нейтрального положения пропорционально управляющему сигналу. Пусть, например, это смещение происходит вправо. РЖ под давлением из гидролинии нагнетания через открывшееся по кромке m окно золотника 3 поступает через гидролинию Б в полость E второго каскада.



Под действием перепада давлений между полостями C и Д золотник 4 движется влево. При этом в результате деформации пружины 5 на валу ЭМП будет развиваться момент OC, по знаку противоположный управляющему моменту, а по модулю — пропорциональный деформации пружины 5. Так как деформация пружины 5 зависит от смещения золотника 4 от нейтрального положения, то момент OC будет пропорционален этому смещению. Движение золотника 4 будет продолжаться до тех пор, пока момент обратной связи на валу ЭМП не уравновесится управляющим моментом. При этом золотник 3 под действием центрирующих пружин 2, пружин своего упругого подвеса, а также под действием гидродинамической и гидростатической сил возвратится в нейтральное положение и перекроет рабочие окна золотника 3 по кромкам m и n.

Преимущество ЭГУ (MOC) по сравнению с ЭГУ (ГОС) заключается в том, что точность отработки выходного каскада (координаты х2) в функции управляющего сигнала практически не зависит от точности отработки координаты h, характеризующей движение золотника первого каскада, так как в силу принципа работы ЭГУ (MOC) координата х2 сравнивается со значением управляющего момента на валу ЭМП. Любое же отклонение координаты h от номинального значения сказывается на скорости движения второго каскада, что соответствует лишь изменению коэффициента усиления разомкнутого контура ЭГУ и практически не сказывается на коэффициенте передачи в замкнутом контуре от управляющего сигнала до координаты х2.

Принципиальная схема одной из возможных реализаций золотникового двухкаскадного ЭГУ с электрической OC — (ЭГУ (ЭОС)) — и цилиндрическим ЗГР на первом каскаде приведена на рис. 71, г. ЭГУ работает следующим образом. При подаче управляющего сигнала UУ на операционный усилитель У управляющий сигнал алгебраически суммируется с сигналом обратной связи UОС. Сигнал рассогласования ?U подается на вход усилителя мощности УМ, где он усиливается до определенного значения, необходимого для управления ЭМП 1.

Усиленный сигнал рассогласования поступает на обмотки ЭМП, на валу которого развивается управляющий момент.



Под действием этого момента золотник 4 первого каскада, преодолевая сопротивление центрирующих пружин 2 и гидродинамической силы, смещается от своего нейтрального положения (например, вправо).

РЖ из гидролинии нагнетания через золотник 4 и гидролинию A поступает в полость C второго каскада. Одновременно полость Д золотника 3 второго каскада через гидролинию Б и золотник 4 соединяется со сливной гидролинией. Под действием перепада давлений между полостями C и Д золотник 3 и жестко связанный с ним якорь 5 индукционного датчика OC смещаются вправо. Ha сигнальной обмотке датчика появляется электрический сигнал, пропорциональный смещению золотника 3 от его нейтрального положения. Этот сигнал поступает на фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, далее на фильтр Ф, на котором происходит фильтрация высокочастотных колебаний, и затем на операционный усилитель У как сигнал OC.

При определенном смещении золотника 3 сигнал OC станет равным сигналу управления, и рассогласование на входе в усилитель мощности будет равно нулю. Будет равным нулю и момент управления на валу ЭМП 1, и золотник 4 под действием центрирующих пружин 2 и гидродинамической силы возвратится в нейтральное положение и перекроет гидролинии A и Б. Золотник 3 второго каскада остановится на определенном расстоянии от своего нейтрального положения. Преимущество такой схемы ЭГУ по сравнению с ЭГУ (MOC) заключается в том, что точность отработки выходной координаты х2 у ЭГУ (ЭОС) в основном определяется допусками на коэффициент усиления по цепи OC и практически не зависит от разбросов по коэффициентам усиления У, УМ и ЭМП. Поэтому ЭГУ (ЭОС) позволяют получить высокую точность отработки по координате х2 без применения гидравлических или механических регулирующих устройств, что существенно упрощает серийное изготовление таких усилителей. Важным преимуществом ЭГУ (ЭОС) по сравнению с ЭГУ (MOC) и ГУ (ГОС) является то, что за счет перераспределения коэффициентов усиления между отдельными элементами контура ЭГУ (при сохранении общего коэффициента усиления разомкнутого контура) можно получить большой коэффициент усиления по линии от сигнала управления до координаты h и улучшить статические характеристики ЭГУ по таким показателям, как зона нечувствительности и петля гистерезиса.



Принципиальные схемы различных вариантов двухкаскадных ЭГУ с первым каскадом в виде двухщелевого ГР сопло-заслонка приведены на рис. 72. Ha рис. 73 даны принципиальные схемы двухкаскадных струйных ЭГУ. Принцип работы этих ЭГУ ничем не отличается от принципа работы двухкаскадных золотниковых ЭГУ, которые были описаны ранее (см. рис. 71).



Рис. 72. Принципиальные схемы двухкаскадных ЭГУ сопло-заслонка



Рис. 73. Принципиальные схемы двухкаскадных струйных ЭГУ

Из рассмотрения принципа работы двухкаскадных ЭГУ следует, что при использовании OC одного и того же вида они различаются только принципом работы первого каскада. Очевидно, что и расчет таких ЭГУ будет разным только в части, связанной с ГР, управляемым ЭМП. Подробная теория и расчет таких ГР приведены в ряде работ [3, 4, 7, 8].

Назад | Содержание

| Вперед

Многополюсные преобразователи

4.6. МНОГОПОЛЮСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Ужесточение требований к точности ИР обусловило появление многополюсных преобразователей, созданных на базе индукционных микромашин путем увеличения числа пар полюсов ротора и статора. Амплитуда выходного напряжения такого преобразователя совершает полный период изменения за поворот ротора относительно статора на один полюс, а число периодов изменения за полный поворот ротора равно числу пар полюсов, т. e.

где р — число пар полюсов.

Так как эффект многопериодичности выходного сигнала создается не механическим путем (за счет редуктора), а электрическим, то устройства, реализующие этот принцип, называются преобразователями с электрической редукцией. Передаточное число такого редуктора определяется числом пар полюсов (ip = p). ИР на многополюсных преобразователях строят по принципу двухканальной системы отсчета, так как число устойчивых положений, как и при механическом редукторе, определяется передаточным отношением редуктора.

В ИР с электрической редукцией (рис. 53) в качестве датчика и приемника в канале ГО используются однополюсные преобразователи (p = 1), а в канале TO — многополюсные (p > 1). Датчики (аналогично и приемники) каналов ГО и TO связаны между собой одним валом и имеют одинаковую частоту вращения. Ho так как число пар полюсов различное, сигнал в канале TO будет изменяться в р раз чаще, чем в канале ГО. B остальном ИР работает аналогично двухканальному измерителю с механическим редуктором, но имеет явные преимущества: 1) отсутствие погрешности, обусловленной неточностью изготовления редуктора, и, как следствие, повышение точности передачи пропорционально числу пар полюсов; 2) отсутствие момента трения редуктора; 3) меньшая динамическая погрешность за счет снижения частоты вращения датчиков канала TO; 4) малое значение отношения минимального напряжения к крутизне, характеризующего уровень остаточного напряжения: для схем с однополюсными преобразователями при p = 1 UОСТ/k? = 3 ... 10, в многополюсной измерительной схеме при p > 1 UОСТ/k? = 0,3 ... 0,5.

Рис. 53. ИР с электрической редукцией Рис. 54. Многополюсной BT

В качестве многополюсных преобразователей широко применяются многополюсные BT, редуктосины, индуктосины. Эти устройства различаются конструктивно, принципом действия, технологией изготовления, но принцип электрической редукции заложен в каждом из них, что позволяет получить высокую точность преобразования.

Многополюсные BT (рис. 54, а) выполняются в виде тороидальных неявнополюсных ротора 1 и статора 2 с равномерно распределенными обмотками кольцевого типа. Сдвинутые по фазе на 90° относительно друг друга обмотки размещаются слоями: первый слой — обмотка синусная, второй — обмотка косинусная. Увеличение числа пар полюсов достигается за счет изменения направления намотки обмотки фазы (на рис. 54, б для простоты изображена только одна обмотка).

Кроме того, на практике находят применение BT, выполненные по трехобмоточной схеме: на роторе укладывается двухполюсная однофазная обмотка возбуждения, а две выходные обмотки получаются за счет специальной укладки обмотки фазы в пазах статора — так называемые синусные или косинусные распределенные обмотки.

При создании двухканальных систем ИР используют BT с различными конструктивными исполнениями: бескорпусная конструкция (рис. 54, а); крепление на одной оси однополюсного и многополюсного BT; встроенная конструкция (двухполюсной BT внутри многополюсного); размещение обмоток многополюсного BT с обмотками двухполюсного BT на одном магнитопроводе с использованием одних и тех же пазов.



Рис. 55, ИР на редуктосине

Многополюсные BT отличаются малым коэффициентом ослабления выходного сигнала, имеют погрешность не более 0,5 ... 1', но требуют наличия контактов при неограниченном угле поворота ротора. Перспективным является применение бесконтактных униполярных BT с тремя обмотками и зубцовым ротором.

Индукционные редуктосины относятся к бесконтактным синусно-косинусным поворотным трансформаторам с электрической редукцией. Конструктивно редуктосин состоит (рис. 55, а) из зубцового статора, на котором расположены как первичная 1, так и две вторичные 2, 3 выходные обмотки.



Ротор представляет собой зубчатое колесо, число зубцов которого находится в соотношении ѕ с числом зубцов статора. К первичной обмотке подводится напряжение питания. При повороте ротора на угол, равный одному зубцовому делению (один полюс), выходное напряжение на обмотке 2 пройдет полный период и будет изменяться по закону синуса, а на обмотке 3, сдвинутой на 90°, — по закону косинуса.

Редуктосины применяют в качестве измерителей рассогласования в СП, в которых вследствие требований высокой точности передачи угла не может быть использована механическая передача. В таком СП (рис. 55, б) канал TO строится на редуктосине TC2, работающем в синхронной передаче с однополюсным BT. 1 повороту редуктосина на одно зубцовое деление соответствует полный поворот ротора TE2 на 360°, что позволяет с большой точностью отсчитать угол поворота задающего вала. При повороте ротора редуктосина на 360° ротор TE2 повернется на Зб0р°, где р — передаточное отношение редуктора. Канал ГО построен на двухполюсных TC1 и TE1 и служит для обеспечения самосинхронизации. Работа двухканальной системы с редуктосином аналогична работе ИР, показанного на рис. 53, но имеет погрешность не более ± (5 ... 10)° при электрической редукции, равной 128 или 256. Дальнейшее увеличение точности ограничено погрешностью нарезания зубчатых колес и особенно колес ротора.

Следует также отметить такое преимущество редуктосинов перед BT, как отсутствие контактов.

Индуктосины — это преобразователи с многополюсными печатными проводниками (обмотками), радиально нанесенными на изоляционные диски. Благодаря отсутствию скользящих контактов повышается надежность преобразователей, а редукция до ip = 256 достигается при достаточно малых размерах за счет технологии нанесения печатных проводников. ИР на индуктосинах работают с погрешностью не более 1 ... 5", но имеют низкий выходной сигнал (2 ... 5 мВ), поэтому требования к усилителям весьма жесткие.

Дальнейшее увеличение точности может быть обеспечено с помощью магниторезистивных преобразователей, являющихся усовершенствованными индуктосинами.



Радиальные проводники в них выполнены из магниторезистивного полупроводникового состава, который меняет свою проводимость в зависимости от магнитного поля. При этом уменьшается влияние ряда технологических погрешностей, свойственных индуктосинам. Магниторезистивные преобразователи могут работать на постоянном токе, что существенно упрощает структуру их отсчетной части и приводит к повышению разрешающей способности и надежности преобразователя в целом. Магнитное поле может быть создано также с применением печатных обмоток, радиальные проводники которых выполнены в виде постоянных магнитов.

Высокоточные индуктосины и магниторезистивные преобразователи используют в основном в цифровых СП в качестве преобразователей непрерывного сигнала в дискретный. В связи с этим возникла необходимость в получении электрической редукции с передаточным отношением, кратным 2n, т. e. 32 (25), 64 (26), 128 (27), 256 (28). Основной трудностью при создании таких преобразователей является получение малых размеров, что обусловлено несовершенством технологии изготовления и сборки.

Назад | Содержание

| Вперед

Надежность следящих приводов

2.2. НАДЕЖНОСТЬ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ

В основе оценки надежности СП лежит способность привода выполнять требуемые функции в заданных режимах. Составляющими надежности являются безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.

Безотказность — это свойство СП непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Событие, заключающееся в нарушении работоспособности СП, называется отказом. Нe все элементы СП работают непрерывно от момента включения до отказа. Большинство элементов, такие, как реле, электродвигатели, работают с перерывами. Для них удобно подсчитывать продолжительность или объем работы, определяемые как наработка. Например, реле характеризуется числом срабатываний до износа контактов.

Рис. 14. Графики показателей безотказности

Основными показателями безотказности являются вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ и интенсивность отказов.

Вероятность безотказной работы P(t) определяет вероятность того, что в пределах заданной наработки отказов не произойдет:

где N —число испытуемых изделий; n (t) — число изделий, отказавших во времени t.

Зависимость вероятности безотказной работы от времени представлена на рис. 14, а: при t = 0 вероятность P (0) = 1, при t = ? P (?) = 0.

Средняя наработка на отказ Тср — это математическое ожидание наработки до отказа:

численно равное площади, ограниченной кривой P(t) (рис. 14, б).

Интенсивность отказов ?(t) – это условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта в момент времени t при условии, что отказ до этого момента времени не возник:

где P'(t) — производная функции надежности. Из соотношения (2) можно получить

Вероятность отказа Q (t) определяют по выражению

График вероятности отказа Q (t) изображен на рис. 14, в.

Долговечность определяют, как свойство СП сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания. Под предельным состоянием понимают состояние СП, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо.

Долговечность определяется сроком службы и ресурсом.

Ремонтопригодность — это свойство CTI, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и восстановлению работоспособного состояния. Знание основных неисправностей, типовых отказов, а также практических методов наладки основных элементов СП значительно облегчает обнаружение места повреждения и сокращает время поиска неисправности.



Рис. 15. Схемы для расчета надежности Рис. 16. Схемы резервирования

Сохраняемость — это свойство СП сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования. Хранение можно рассматривать как своего рода работу.

Для оценки показателей надежности применяют экспериментальный, аналитический методы, а также метод моделирования на цифровых ЭВМ. Для всех методов составляют надежностную схему соединений, представляющую собой математическую модель СП. При этом принимают во внимание не электрические (механические, гидравлические) связи, а связи элементов с точки зрения влияния отказов этих элементов на надежность всего привода.

Различают три вида соединений (графов): последовательное, параллельное и смешанное. Соединение элементов xi, при котором отказ любого из них приводит к отказу СП, называют логически последовательным (рис. 15, а).

Любая нерезервированная система имеет такую структуру, и ее надежность определяется выражением



где n — число последовательно соединенных элементов. Полученное выражение с учетом (3) приводится к виду



И тогда вероятность отказа согласно (4)



При достаточно высокой надежности i-гo элемента надежность всей системы получается низкой, так как число элементов велико.

Соединение элементов называют параллельным (рис. 15, б), если отказ системы наступает при одновременном отказе всех элементов. Смешанное соединение (рис, 15, в) представляет собой комбинацию первых двух соединений.

Для повышения надежности применяют общее и раздельное резервирование элементов к функциональных групп путем включения избыточных элементов 1 — n.При общем резервировании (рис. 16, а) резервируют всю систему в целом, при поэлементном (рис. 16, б) резервируют отдельные элементы, например 1, 2. Поэлементное резервирование надежнее, так как путей прохождения сигнала больше.

Назад | Содержание

| Вперед

Нагрузка и энергетические характеристики

3.3. НАГРУЗКА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Под нагрузкой СП понимается сумма возмущающих моментов MВ, действующих на OP:

где МСТ — статический момент нагрузки; MД — динамический момент нагрузки.

Статический момент можно представить в виде суммы внутренних и внешних составляющих, действующих в установившемся режиме:

где MН— постоянная составляющая момента нагрузки, обусловленная дебалансом, моментом трения в кинематических парах и контактных устройствах; МВ(t) — переменный момент, зависящий от параметров движения OP (угла поворота выходного вала) или внешних возмущений (силы ветра или отдачи). Под моментом M3 (t) понимают момент, возникающий в упругих элементах при закручивании, или шарнирный момент МШ, действующий на рули самолета при их отклонении и пропорциональный углу отклонения ?: МШ= сш ?, где сш — коэффициент шарнирного момента.

Динамический момент обусловлен теми составляющими нагрузки, которые появляются в режиме движения при изменении угловой скорости:

где JН — момент инерции нагрузки; ?? — ускорение выходного вала.

C учетом (16) выражение (14) возмущающего момента приобретает вид

Составляющие нагрузки, действующей на OP, приложены к валу ИУ через понижающий редуктор q (рис. 19). Зная передаточное число редуктора i, приведем указанные моменты к валу ИУ.

Приведенный момент инерции нагрузки

где i — передаточное число редуктора.

Полный момент инерции вращающихся частей нагрузки с учетом момента инерции двигателя JД

Если момент инерции редуктора Jp соизмерим с моментом инерции двигателя JД, то J' = Jр + JД + JН/i2.

Рис. 19. Объект регулирования СП

Приведенный статический момент нагрузки

где ? — КПД редуктора.

Приведенные угловые скорость и ускорение вала нагрузки

Таким образом, приведенный к валу ИУ момент нагрузки G учетом (17)-(21)

Для обеспечения заданного режима работы СП момент вращения ИУ должен быть равен моменту, определяемому выражением (22):

Полученный момент называют (в отличие от располагаемого момента) требуемым.

Его обозначают МТР и пользуются при выборе типа ИУ. O значении располагаемого момента при выборе ИУ можно судить по механической характеристике, представляющей собой зависимость ?=f(M,Uy) установившейся скорости вала ИУ от момента нагрузки и сигнала управления (рис. 20). Линейная механическая характеристика (рис. 20, а) свойственна электродвигателю постоянного тока с независимым возбуждением и гидроприводу с объемным регулированием; параболическая характеристика (рис. 20, б) присуща гидроприводу с дроссельным регулированием и нелинейная характеристика (рис. 20, e) — электромагнитной порошковой муфте.



Рис. 20. Механические характеристики ИУ



Рис. 21. Энергетические характеристики ИУ

По механическим характеристикам можно судить о регулировочных свойствах ИУ. Так как в процессе регулирования момент нагрузки непостоянен, то чем меньше скорость ИУ будет зависеть от момента, тем лучше регулировочные свойства устройства. С этой точки зрения нелинейная характеристика (см. рис. 20, в) является оптимальной и абсолютно жесткой в определенном диапазоне нагрузки. В двух других случаях с увеличением нагрузки скорость выходного вала падает.

С помощью механических характеристик можно оценить также энергетические возможности ИУ, т. e. мощность, которой они располагают. Действительно, мощность на валу ИУ



где MИУ, ?ИУ — момент и скорость ИУ.

Зная механическую характеристику (рис. 21, а), по значениям M и ? можно построить энергетическую характеристику P = f(M,?) и определить максимальную мощность (рис. 21, б). Представленные на рис. 21 характеристики имеют максимум Рmax в точках, определяющих номинальные параметры ИУ (??? M, МНОМ). Отсюда номинальная мощность ИУ РНОМ = Рmax =??? M МНОМ

При выборе ИУ руководствуются тем правилом, что ero максимальная мощность должна быть больше требуемой. Иногда при выборе ИУ для характеристики нагрузки используют диаграмму нагрузки, представляющую собой зависимость требуемых моментов МТР от скорости при заданном законе движения выходного вала.При гармоническом возмущении диаграмма нагрузки МТР (рис. 22) представляет собой эллипс с полуосями МТР МАХ, ?ТР МАХ. Основное условие при выборе ИУ заключается в том, чтобы диаграмма нагрузки располагалась внутри области моментов и скоростей, обусловленных механической характеристикой МР, касаясь последней в точке Ак с максимальным значением мощности при Мк = 2/3MП.



Рис. 22. Диаграмма нагрузки

Назад | Содержание

| Вперед

Назначение корректирующих устройств

9.2. НАЗНАЧЕНИЕ КОРРЕКТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Устройства, специально вводимые в контур регулирования для обеспечения требуемых динамических свойств СП, называются корректирующими устройствами (КУ).

Рис. 107. Схема включения КУ

B СП применяют разные методы коррекции: вязким демпфированием; уменьшением нелинейностей СП; изменением частотных характеристик СП.

Первый метод коррекции связан с введением в СП дополнительного момента вязкого трения, способствующего гашению колебаний и уменьшению инерционности привода. В СП это достигается закреплением на валу двигателей специальных устройств — демпферов (воздушных или электромагнитных) или созданием в асинхронных двигателях постоянного магнитного потока, взаимодействующего с полым ротором во время ускорения или замедления движения. Вязкое демпфирование обеспечивает сравнительную простоту проектирования и изготовления СП, но применяется в основном в приводах малой мощности вследствие значительного расхода мощности на вращение демпферов в установившихся режимах и изменения вязкости жидкости при колебаниях температуры.

Уменьшить нелинейность СП, связанную с наличием зазоров, момента трения и ухудшающую качественные показатели привода, можно, используя вибрацию. Так, для снятия статического момента трения в подшипниках предусматривают промежуточную обойму, которая под действием специального устройства вибрирует с большой частотой и малой амплитудой. В электрогидравлических приводах для предупреждения зарастания щелей в золотниковых парах в конструкции ЭМП предусматривают дополнительную обмотку, на которую подают напряжение повышенной частоты, что вызывает вибрацию якоря преобразователя относительно положения равновесия.

Коррекция приводов изменением частотных характеристик наиболее применима в СП. Этот способ сводится к введению в сигнал управления помимо сигнала погрешности сигналов, пропорциональных производным и интегралам от погрешности и возмущающих воздействий.

В зависимости от формируемого закона регулирования определяют место включения КУ (рис. 107) По этому признаку КУ делят на последовательные K0(p), параллельные K(p), L(p) и корректирующие OC — Kм(p), Ka(p). По виду частотных характеристик КУ делят на дифференцирующие, интегрирующие и интегродифференцирующие. В зависимости от вида используемой энергии КУ подразделяют на электрические, электромеханические и гидромеханические.

По виду дифференциального уравнения различают линейные КУ, описываемые дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами, и нелинейные КУ, описываемые нелинейными дифференциальными уравнениями. Кроме того, КУ делят на активные и пассивные в зависимости от того, выполняют ли КУ кроме основной функции преобразования еще функцию усиления преобразуемого сигнала.

Основными требованиями, предъявляемыми к КУ, являются надежность в работе, независимость преобразований от частоты источника питания, стабильность выходных параметров, особенно в приводах повышенной точности.

Назад | Содержание

| Вперед

Назначение синхронизирующих устройств

5.1. НАЗНАЧЕНИЕ СИНХРОНИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Синхронизирующие устройства (СУ) применяются в двухскоростных системах передачи угла, они служат для автоматического переключения привода с одного канала на другой (рис. 51, a). B результате действия СУ при малых углах рассогласования используется сигнал канала TO, а при рассогласованиях, больших некоторого граничного угла ?П, называемого углом переключения, канал TO автоматически отключается и ко входу усилителя подключается канал ГО. Аналогичное переключение с канала ГО на канал TO происходит при отработке начальных (больших) углов рассогласования, когда рассогласование уменьшается до угла переключения ?П.

Рис. 57. Статические характеристики СУ

В технике известны различные по устройству и принципу действия СУ. Однако все они выполнены на основе нелинейных элементов, позволяющих изменять состояние схемы на выходе в, зависимости от значения сигнала канала ГО.

Существуют СУ с полным и неполным разделением каналов. В схемах с полным разделением на вход усилителя подается напряжение только одного канала (TO или ГО) при отключенном втором канале (рис. 57, а). Статические характеристики СУ каждого диапазона работы нелинейны, но в совокупности дают непрерывную линейную характеристику.

В схемах с неполным разделением каналов при включении канала ГО канал TO не отключается, а напряжение UТО ограничивается или несколько уменьшается, вследствие чего на входе усилителя действует сигнал ГО и ослабленный сигнал TO (рис. 57, б). Аналогично работает СУ при обратном переключении. Такие устройства проще, но в них возможно взаимное влияние одного канала на другой.

K СУ как элементам СП предъявляют следующие требования: 1) надежность переключения 2) отсутствие или минимальное влияние одного канала на другой 3) непрерывность (отсутствие разрывов) статической характеристики UВЫХ = f(UВХ) 4) простота устройства? 5) малые размеры и удобство компоновки в одном корпусе c усилителем.

В качестве нелинейных элементов в СУ используются ключевые схемы на диодах и стабилитронах, неоновые ламп, реле.

Назад | Содержание

| Вперед

Назначение устройств усиления и преобразования и требования, предъявляемые k ним

8.1. НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ УСИЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ K НИМ

В контуре регулирования СП усилитель относится к изменяемой части, так как его выбирают готовым или проектируют на основе уже известных характеристик чувствительных и исполнительных элементов из условия обеспечения заданной точности работы системы. Поскольку общий коэффициент усиления разомкнутой системы обычно невелик, то для получения заданной добротности коэффициент передачи усилителя по напряжению должен быть высоким. Кроме того, для обеспечения требуемой мощности управления ИУ усилитель должен обладать высоким коэффициентом усиления по мощности.

Помимо простого усиления сигнала рассогласования усилитель современных СП дополнительно решает следующие задачи: формирование сигнала управления путем сложения сигнала рассогласования с корректирующими сигналами (параллельными и OC) или путем непосредственного преобразования (интегрирования или дифференцирования) сигнала рассогласования; преобразование рода тока сигнала; ослабление и подавление помех, поступающих на вход усилителя; ограничение сигналов на входе для защиты элементов усилителя, а на выходе — для ограничения максимальной скорости движения OP.

Усилительные устройства СП должны отвечать техническим требованиям по линейности статических характеристик, входному сопротивлению, зоне нечувствительности, стабильности нуля, линейности суммирования входных сигналов и безынерционности.

Назад | Содержание

| Вперед

Общие сведения

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электромеханический преобразователь (ЭМП) является составной частью электрогидравлического усилителя мощности (ЭГУ). Через ЭМП осуществляется связь электронной части электрогидравлического следящего привода (ЭГСП) с его гидравлической частью. ЭМП воспринимает управляющий электрический сигнал и преобразует его в пропорциональное перемещение якоря (или момент на валу якоря).

Известно большое количество схемных и конструктивных решений ЭМП. ЭМП можно классифицировать по ряду признаков:

по принципу действия — электродинамические, электромагнитные, пьезоэлектрические, магнитострикционные;

по виду движения выходного элемента — поступательного движения, поворотного движения;

по типу подвижного элемента — с перемещающейся катушкой, с перемещающимся якорем;

по признаку наличия или отсутствия поляризующего поля, а также их виду — неполяризованные, поляризованные, с обмотками поляризации, поляризованные с постоянными магнитами;

по электрическим схемам включения — с обмотками, включаемыми по дифференциальной трехпроводной схеме, с обмотками, включаемыми по двухпроводной схеме (последовательно или параллельно);

по типу управляющего сигнала — управляемые непрерывным сигналом (ЭМП постоянного тока), управляемые дискретным сигналом (релейным или импульсным).

В ЭГСП в основном получили распространение ЭМП электромагнитного и электродинамического типов, управляемые постоянным током; поступательного и вращательного движения; поляризованного типа; с обмотками управления, включаемыми как по дифференциальной трехпроводной схеме, так и по двухпроводной схеме (последовательными и параллельными катушками управления).

В дальнейшем ограничимся рассмотрением ЭМП двух типов — электродинамического и электромагнитного.

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В ЭГСП широко применяются различные электрогидравлические усилители мощности. В составе ЭГСП усилитель мощности является промежуточным звеном между маломощной электронной частью и мощным ГИУ. От статических и динамических характеристик ЭГУ зависят такие характеристики ЭГСП, как чувствительность к управляющему сигналу, жесткость механической характеристики к нагрузке на ГИУ, быстродействие.

Связь гидравлической части ЭГУ с электронной частью ЭГСП осуществляется посредством ЭМП, обмотки управления которого служат нагрузкой для электронного усилителя мощности, а подвижный якорь связан с дросселирующим гидрораспределителем (ГР). Если ЭМП и связанный с ним дросселирующий ГР управляют расходом и давлением рабочей жидкости, подаваемой к ГИУ ГСП, то такое сочетание ЭМП и управляемого им ГР определяет однокаскадный ЭГУ. Если управление ГИУ осуществляется от дросселирующего ГР (чаще всего четырехщелевого золотникового ГР), управляемого однокаскадным ЭГУ, то сочетание ЭМП и двух ГР определяет двухкаскадный ЭГУ. В этом случае ГР, управляющий расходом и давлением рабочей жидкости, подаваемой на ГИУ, называется вторым каскадом ЭГУ.

Наиболее важным звеном ЭГУ, от которого зависят его быстродействие, чувствительность к управляющему сигналу и надежность работы, является дросселирующий ГР, непосредственно управляемый ЭМП. Этот ГР должен иметь подвижные части небольшой массы, исключать воздействие на ЭМП нагрузок типа контактного трения, быть по возможности разгружен от гидростатических и гидродинамических сил. надежно работать на жидкостях с определенной степенью очистки.

Известно, что из множества ЭГУ, различающихся по типу дросселирующих ГР, управляемых ЭМП, во многих областях техники в основном находят применение ЭГУ трех типов: с двухщелевым ГР сопло-заслонка, со струйным ГР, с четырехщелевым золотниковым ГР. Соответственно они получили названия: ЭГУ сопло-заслонка, струйный ЭГУ и золотниковый ЭГУ. Следует отметить, что наибольшее распространение получили ЭГУ сопло-заслонка и струйные ЭГУ,

18.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Испытание СП является важным этапом при его создании, что объясняется следующими причинами.

Математические модели лишь приближенно описывают физические процессы, происходящие в СП во время его работы. Эксперимент позволяет глубже и более четко представить эти процессы, а иногда и выявить более тонкие и малоизученные.

В процессе испытаний СП можно выявить наиболее слабые узлы и принять меры по устранению выявленных недостатков.

Только эксперимент дает возможность проверить работоспособность СП в условиях вибрации, ударных перегрузок при определенной влажности окружающей среды, отрицательной и положительной температурах, пониженном давлении окружающей среды и т. д.

В ряде случаев эксперимент может оказаться менее трудоемким, чем математическое исследование при изучении основных характеристик СП.

Назад | Содержание

| Вперед

12.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Следящие приводы с ЭПМ пришли на смену традиционным электромашинным приводам в конце 50 гг., когда были созданы муфты, позволившие повысить быстродействие и снизить массу приводов. Благодаря высокому быстродействию приводы с ЭПМ нашли широкое применение в рулевых устройствах, в устройствах натяжения и тормоза лентопротяжных механизмов, а также в станках. Особое применение привод с блоком реверса на порошковых муфтах получил в приводах антенн для обеспечения в момент реверса оптимального ускорения в целях уменьшения времени обзора и исключения потерь импульсов, отраженных от цели. По своим функциональным возможностям привод с ЭПМ позволяет получить желаемые характеристики более простыми техническими средствами, так как является регулятором момента.

Способность ЭПМ передавать моменты, пропорциональные току управления, обеспечивает возможность создания на их основе СП с пропорциональным управлением. Сравнительно небольшая мощность управления муфт позволяет в качестве усилителя мощности использовать транзисторные усилители с выходом по постоянному току и с разделенной нагрузкой (рис. 136, а). Последнее требование обусловлено тем, что ЭПМ применяются в виде блока двух муфт У1, У2 с обмотками управления, включенными электрически по дифференциальной схеме. Дифференциальное включение (см. рис. 32, б) обеспечивает наличие нулевых токов Iy1 и Iy2 при сигнале управления UУ = 0. Назначение нулевых токов состоит в том, что они сдвигают рабочую точку для каждой муфты в характеристике М1, 2 = f(IУ) в линейную зону (см. рис. 33, а) и обеспечивают пропорциональную зависимость суммарного передаваемого момента от управляющего момента.

Начальный ток I0 рекомендуется выбирать в пределах 10 ... 20 % тока Imax так как большее значение существенно сказывается на тепловых потерях и на КПД всего устройства.

Рис. 136. Схемы СП с ЭПМ

Динамика приводов с ЭПМ определяется наличием двух интегрирующих звеньев и электромагнитными процессами в цепи управления и магнитопроводе муфт при механической инерционности, практически равной нулю.

11.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Импульсные следящие электроприводы относятся к электроприводам с дискретным управлением и характеризуются наличием в них преобразователей непрерывного сигнала в дискретный. Процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный называется квантованием. Различают квантование по времени, по уровню и по времени и уровню.

Квантование по времени производится на основе трех видов модуляции: амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ) и частотно-импульсной (ЧИМ). Для осуществления модуляции по амплитуде (рис. 128) в определенные моменты времени, равные периоду квантования T, производят мгновенный съем информации. При этом образуются узкие импульсы постоянной ширины с амплитудой, равной значению непрерывного сигнала в тактовые моменты времени. Очевидно, что в процессе АИМ возможна частичная потеря информации: одинаковая последовательность импульсов (рис. 128, б) может соответствовать двум различным непрерывным сигналам X1 (t) и X2 (t). Кроме того, помехозащищенность низкая, так как возможны помехи с амплитудой, равной амплитуде импульсов. Для уменьшения потери информации увеличивают частоту квантования ? == 2?/T.

Рис. 128. Виды модуляции

При ШИМ (рис. 128, в) непрерывный сигнал заменяется последовательностью импульсов одинаковой амплитуды, но разной ширины tи, зависящей от амплитуды входного сигнала в тактовые моменты T.

Для ЧИМ характерны импульсы одинаковой амплитуды и ширины. От значения непрерывного сигнала зависит период квантования (рис. 128, г).

Для реализации процесса квантования по уровню непрерывный сигнал на входе преобразователя сравнивается с сигналом определенного уровня, называемого шагом квантования ??(рис. 129, а). До тех пор, пока входной сигнал не достигнет шага квантования, сигнал на выходе изменяться не будет. При достижении шага квантования на выходе скачком фиксируется новый уровень (рис. 129, б). Типичным примером устройства, осуществляющего квантование по уровню, является электромагнитное реле, замыкающее управляемую цепь в момент, когда входной сигнал достигает напряжения срабатывания.

10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В СП с непрерывным управлением выходной вал электродвигателя в установившемся режиме находится в состоянии непрерывного движения. Как указывалось выше, СП в зависимости от типа двигателя разделяют на СП постоянного и СП переменного тока. Ho более существенным классификационным признаком является мощность электродвигателя, от которой зависят как структура и размеры неизменяемой части СП, так и сложность корректирующих средств. По этому признаку СП делят на приборные (мощностью до 100 Вт) и силовые (мощностью от 100 Вт до сотен кВт). Такое определение границ мощности условное, так как в некоторых случаях СП мощностью 500 Вт вчитается приборным.

Прежде чем перейти к изучению особенностей работы приборных и силовых СП, рассмотрим применение указанных приводов в системе управления двухзеркальным радиотелескопом [6], представленной на рис. 119. Конструктивно радиотелескоп состоит из большого 1 и малого 2 зеркал. Каждое зеркало имеет две оси вращения и снабжено двумя идентичными СП, обеспечивающими вращение по азимуту и углу места. Рассмотрим работу СП по углу места.

Разворот основного зеркала с большими размерами и массой обеспечивается с помощью силового следящего привода (ССП), состоящего из двух электромашинных агрегатов G1—M2 и G2—M3, движения которых складываются на дифференциальном редукторе q3. Применение дифференциального редуктора обеспечивает равномерную загрузку электродвигателей и позволяет путем выключения одного из агрегатов добиться бесступенчатого изменения передаточного числа редуктора.

Сигнал управления на разворот радиотелескопа поступает о цифровой ЭВМ, но не непосредственно на вход ССП, а через вспомогательный маломощный привод, называемый расшифровывающим (РСП). В задачу этого привода входит согласование ЭВМ с ССП путем преобразования цифрового сигнала в угол поворота вала. Необходимость согласования вызвана тем, что выходные устройства ЭВМ имеют ограниченную линейную зону, в пределах которой ССП вследствие большой инерционности нагрузок не успевает затормозиться.

Общие сведения и классификация

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Исполнительным устройством (ИУ) СП называется устройство, предназначенное для перемещения OP в соответствии с заданным законом управления. ИУ СП работают в сложных динамических режимах слежения за сигналом рассогласования. Отсюда вытекают специфические требования к этим устройствам: обеспечение необходимых выходных усилий во всех режимах работы и способность выдерживать кратковременные перегрузки, возникающие в приводе; обеспечение высоких скоростей и ускорений по перемещению OP; плавное регулирование в широких пределах и обеспечение независимости частоты вращения выходного вала от изменения нагрузки (достаточная жесткость механической характеристики); отсутствие «самохода» (продолжение вращения ротора при снятом сигнале управления); малая инерционность и способность работать в определенных температурных диапазонах без перегрева. Кроме перечисленных требований к ИУ предъявляют общетехнические требования: малые масса и размеры, высокая надежность при механических и климатических воздействиях.

В СП в качестве ИУ применяют электродвигатели постоянного и переменного тока, электромагнитные устройства (муфты, преобразователи, шаговые двигатели), гидравлические устройства (гидромоторы, гидроцилиндры). Классификация ИУ представлена на рис. 17.

Для регулирования частоты вращения ИУ используют два вида управления: непрерывное и дискретное (импульсное, релейное).

Непрерывное управление осуществляется e помощью изменяющегося по значению, но непрерывного во времени сигнала; дискретное — путем изменения времени, в течение которого к ИУ подводится номинальное напряжение.

По способу отработки выходного вала ИУ разделяют на устройства с непрерывной и дискретной отработкой. B данном учебнике ограничимся рассмотрением основных характеристик, схем и методов управления, которые обеспечивают непрерывную отработку выходного вала.

Выбор того или иного типа ИУ зависит от многих факторов и прежде всего от характера и значения нагрузки, действующей на OP, и от параметров движения выходного вала, определяемых заданным законом движения.

Назад | Содержание

| Вперед

Общие сведения классификация

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ

Управляющие устройства (УУ) предназначены для сравнения информации, поступающей от ЗУ с информацией о состоянии привода, передаваемой по цепи OC.

Техническое исполнение УУ зависит от вида ЗУ. Если выходной вал СП следит за изменением напряжения, поступающего с аналоговой ЭВМ, программного, оптического или радиолокационного устройства, то в качестве УУ применяют суммирующий каскад на входе усилителя. Ha структурной схеме такое УУ изображают так, как показано на рис. 45, a. В качестве преобразователя B в цепи OC в позиционном СП используют потенциометр, в скоростном — тахогенератор (см. рис. 9).

В местном СП в качестве УУ применяют один датчик (индукционный, потенциометрический), корпус которого связан с задающим валом, а ротор или соответственно движок — с валом исполнительного двигателя. Схема подключения потенциометра постоянного тока изображена на рис. 46, а. Для использования потенциометра на переменном токе (рис. 46, б) можно применить трансформатор со средней точкой.

Если в качестве ЗУ служит входной вал, расположенный на значительном расстоянии от исполнительного вала, то УУ строят на основе дистанционной потенциометрической или индукционной передачи, состоящей из идентичных датчиков, электрически включенных по мостовой или трансформаторной измерительной схеме. Ha структурной схеме такое УУ изображают так, как показано на рис. 45, б. Такие устройства чаще называют измерителями рассогласования (ИР). Как видно из рис. 45, б. ИР сравнивает углы поворота и преобразует полученную разность в электрический сигнал.

Основными характеристиками и параметрами ИР являются следующие: статическая характеристика U? = f(?), представляющая собой зависимость выходного сигнала от ошибки рассогласования; коэффициент преобразования (чувствительность) k? = U? /?; погрешности измерительного устройства; мощность выходного сигнала.

Рис. 45. Изображение УУ в структурной схеме

Рис. 46. УУ в местном СП

К основным требованиям, предъявляемым к ИР, относятся высокая точность измерения и преобразования угла рассогласования; линейность и большая крутизна статической характеристики; малая мощность потребления электрической энергии; безынерционность; надежность; минимальные размеры и масса. Оco6o жесткие требования предъявляют к чувствительности и точности измерения, так как точность СП не может быть выше точности устройства, измеряющего и преобразующего сигнал рассогласования. Основным показателем точности измерения является погрешность измерения, т. e. отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности измерения подразделяют по способу выражения на абсолютные и относительные, а по источнику возникновения — на инструментальные, допущенные. При изготовлении собственно измерителей, и методические, возникающие вследствие несовершенства измерительной схемы или несогласованности сопротивлений.

Аналоговая часть осуществляет усиление сигнала по напряжению в усилителе AU, по мощности в усилителе AW, отработку рассогласования двигателем M с помощью редуктора q, коррекцию СП по напряжению с помощью тахогенератора BR с последовательным контуром K (p), а также измерение угла отработки с помощью датчика BC.



Рис. 153. Структурная схема ЦАСП

Являясь комбинированным, ЦАСП сочетает положительные свойства как цифровых элементов (быстродействие, точность), так и аналоговых (хорошее качество переходных процессов).

По способу связи с цифровой ЭВМ ЦАСП делят на автономные и неавтономные. В автономных ЦАСП ЭВМ не входит в контур регулирования, а играет роль задающего устройства. Функцию вычисления кода погрешности выполняет специализированное цифровое устройство, структура которого зависит от решаемой на нем задачи. Представленный на рис. 153, а привод является примером автономного ЦАСП.

В неавтономном ЦАСП (рис. 153, б) ЭВМ охвачена OC и сравнение заданного и отрабатываемого кодов происходит непосредственно в ЭВМ. Код разности затем поступает на преобразователь Uzv и далее на аналоговую часть привода, отрабатывающую рассогласование. Пример неавтономной ЦАСП в виде РСП приведен на рис. 119.

По роду задачи регулирования ЦАСП делят на позиционные и скоростные. В качестве преобразователей в цепи OC позиционных ЦАСП используют цифровые преобразователи угла, состоящие из датчика угла и АЦП, вырабатывающего двоичный код, а в скоростном — дискретные преобразователи, вырабатывающие импульсы, частота следования которых пропорциональна частоте вращения выходного вала привода.

Ha рис. 154 изображен цифровой привод антенны самолетного локатора. Антенна снабжена приводным механизмом, обеспечивающим вращение по азимуту и углу места. Задача, решаемая



Рис. 154. Привод локатора антенны.

цифровой ЭВМ, сводится к обеспечению работы привода в режиме кругового обзора и режиме слежения посредством выдачи двух цифровых кодов, соответствующих необходимым углам поворота антенны по азимуту (код A) и углу места (код УМ).



Каждый из каналов управления представляет собой замкнутый автономный ЦАСП, исполнительным устройством которого является двигатель типаАДП-263А. В состав каждого канала входит суммирующее устройство ??, ЦАП UZV, усилитель A, редуктор q, датчик угла TE и АЦП UVZ.

Цифровая команда, поступившая с цифровой ЭВМ, сравнивается в сумматоре ??1 с кодом OC, вырабатываемым АЦП UVZ 1. Причем сигналы, поступившие как с ЭВМ, так и с преобразователя, представлены в параллельном двоичном коде. Код погрешности привода с помощью преобразователя преобразуется в аналоговый сигнал и через усилитель Al поступает на двигатель M1, который с помощью редуктора q1 поворачивает антенну относительно азимутальной оси. Одновременно поворачивается ротор датчика TE1 цифрового преобразователя угла UZ1, вырабатывающего истинное значение угла поворота антенны по азимуту. Привод по каналу угла места выполнен аналогично. В результате совместной работы обоих каналов антенна разворачивается по направлению, соответствующему командам из цифровой ЭВМ.

Назад | Содержание

| Вперед

Однокаскадные электрогидравлические усилители мощности

7.2. ОДНОКАСКАДНЫЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Рассмотрим принцип работы однокаскадного золотникового ЭГУ с цилиндрическим ЗГР (рис. 70, а). При подаче управляющего сигнала на обмотки управления 1 ЭМП на его валу развивается момент, пропорциональный этому сигналу и направленный в соответствии со знаком управляющего сигнала. Пропорционально моменту на валу ЭМП вдоль оси золотника 3 развивается усилие, которому противодействуют усилия центрирующих пружин 2 и гидродинамическая сила на золотнике 3. При этом определенному управляющему усилию (управляющему сигналу) соответствует определенное смещение h золотника от его нейтрального положения в ту или иную сторону в соответствии с направлением действия управляющего усилия (знаком управляющего сигнала). При смещении золотника 3 (например, вправо) РЖ из гидролинии нагнетания рН через кромку m золотника подается в гидролинию А, соединенную с одной из полостей (левой) ГИУ 4, а другая (правая) полость ГИУ через гидролинию Б и кромку n золотника соединяется с гидролинией слива с рСЛ. Скорость ГИУ (расход РЖ в гидролиниях A и Б) пропорциональна площади проходных сечений рабочих окон золотника по кромкам m и n.

Рис. 70. Принципиальные схемы однокаскадных ЭГУ

Положительными свойствами ЭГУ с цилиндрическим золотником являются малый расход РЖ при нейтральном положении золотника (так называемый непроизводительный расход РЖ) и способность ЭГУ работать при высоком давлении нагнетания (10 ... 30 МПа) без специальных дросселирующих устройств. Главный недостаток — наличие сил контактного трения между золотником и гильзой. Для уменьшения влияния этих сил на статические и динамические характеристики ЭГУ в некоторых случаях необходимо вводить специальное осциллирующее движение золотника (малой амплитуды и высокой частоты) за счет дополнительного электрического сигнала, подаваемого на управляющие обмотки ЭМП от специального электронного генератора.

От указанного недостатка ЭГУ с цилиндрическим ЗГР свободны некоторые другие типы ЭГУ.

Однокаскадный струйный ЭТУ (рис. 70, б) управляется ЭМП 4 и распределяет РЖ в полости ГИУ 1 при смещении h струйной трубки 2 от нейтрального положения, пропорциональном управляющему сигналу, в определенном направлении в соответствии с его знаком. Эта пропорциональность обеспечивается центрирующими пружинами 3.

Положительными свойствами струйного ЭГУ являются большие площади проходных сечений и, как следствие, возможность работы на менее чистой РЖ (по сравнению с золотниковым ЭГУ), высокая крутизна характеристики управления по перепаду давлений (силовой характеристики) вблизи нейтрального положения струйной трубки. Как недостатки следует отметить больший, чем у золотникового ЭГУ, непроизводительный расход РЖ и ограниченность давления на входе в струйную трубку (0,3 ... 0,6 МПа). Уменьшение давления на входе в струйную трубку позволяет исключить так называемые шумы (колебания струйной трубкой с заранее непредсказуемым спектром частот и амплитуд). Снижение давления обеспечивается установкой на входе в струйную трубку дросселя.

Разработаны струйные ЭГУ, в которых за счет специальных мер обеспечивается устойчивая работа струйной трубки при давлениях 15 ... 20 МПа. Известен однокаскадный ЭГУ с неподвижной струйной трубкой 2 (рис. 70, в). По принципу работы ЭГУ этого типа ничем не отличается от ЭГУ с подвижной струйной трубкой. Его преимущество — простота подвода РЖ к струйной трубке. Управление расходом РЖ и перепадом давлений обеспечивается с помощью специального разделителя-диффузора 3, жестко связанного с якорем 1 ЭМП.

Принципиальная схема однокаскадного ЭГУ с двухщелевым ГР сопло-заслонка изображена на рис. 70, в. При нейтральном положении заслонки 5, жестко связанной с якорем 2 ЭМП, площади проходных сечений в зазорах m и n равны и, следовательно, равны расходы РЖ через каждую пару дросселей (3, 4) и (3', 4'). Равны и давления в полостях ГИУ 7. При подаче управляющего сигнала на обмотки управления ЭМП якорь последнего, преодолевая усилие центрирующих пружин 1 и гидродинамическую силу от действия струи РЖ на заслонку, повернется на определенный угол, пропорциональный управляющему сигналу, и в определенном направлении в соответствии со знаком этого сигнала.



Заслонка 5 отклонится от нейтрального положения (например, вправо), проходное отверстие дросселя 4' уменьшится, а проходное отверстие дросселя 4 увеличится. Соответственно увеличится давление в гидролинии Б и в правой полости ГИУ. В гидролинии A и в левой полости ГИУ давление уменьшится. Под действием возникшего перепада давлений поршень ГИУ начнет движение влево. Скорость движения поршня ГИУ (расход РЖ в гидролиниях A и Б) будет пропорциональна смещению заслонки от нейтрального положения (управляющему сигналу),

Положительными свойствами ЭГУ сопло-заслонка являются его разгруженность от сил контактного трения, большие площади проходных сечений и, как следствие, определенная некритичность к чистоте РЖ. Как недостатки следует отметить большой по сравнению с золотниковым ЭГУ непроизводительный расход РЖ и ограниченность рабочего давления (до 0,3 ... 0,6 МПа) на входе в гидравлический мост сопротивлений (на входе в дроссели 3 и 3'), для чего в таких ЭГУ имеется специальный дроссель 6. Это связано с необходимостью ограничить гидродинамическое воздействие на заслонку струй РЖ, истекающих из сопел 4 и 4’.

В гидроусилителе с плоским золотником на упругом подвесе (рис. 77, д) за счет гарантированного зазора 6 исключен такой недостаток ЭГУ с цилиндрическим золотником, как контактное трение, хотя при этом несколько увеличивается непроизводительный расход. ГР с плоским золотником отличается от ГР других типов простотой технологии изготовления и наличием плоской пружины i, создающей дополнительную нагрузку для ЭМП 2, что необходимо учитывать при расчете статических и динамических характеристик ЭГУ.

По принципу работы ЭГУ с плоским золотником на упругом подвесе ничем не отличается от ЭГУ с цилиндрическим золотником. Для обеспечения высокой точности статических характеристик и улучшения динамических характеристик ЭГУ и управляющего ЭГУ электронного усилителя в однокаскадных ЭГУ в некоторых случаях применяют электрическую обратную связь по положению подвижной части ГР того или иного типа и жестко связанного с ней якоря ЭМП.Наиболее просто такую связь реализовать с помощью индукционного датчика угла, якорь которого кинематически связан c якорем ЭМП.

Назад | Содержание

| Вперед

Определение основных показателей качества

17.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

Спроектированный СП должен быть не только устойчивым, но и обладать определенными показателями качества. Указанный в п. 1 способ оценки показателей качества по виду переходного процесса отличается наглядностью и точностью. Существенный недостаток способа — это трудность построения переходного процесса путем непосредственного решения дифференциального уравнения движения систем высокого порядка. Приближенно переходной процесс можно построить, пользуясь формулой

устанавливающей связь между вещественной частотной характеристикой P(?) и переходным процессом привода. По частотному методу Солодовникова построение переходного процесса сводится к графическому способу вычисления интеграла (359) и включает следующие этапы.

Рис. 178. Р-номограмма

Рис. 179. Вещественная частотная характеристика

1. Определение вещественной частотной характеристики (вещественной части АФЧХ замкнутого привода) по ЛАФЧХ разомкнутого привода с помощью Р-номограммы (рис. 178).

2. Аппроксимация кривой P(?) трапециями, вписывающимися в основной контур кривой P(?) и прилежащими к оси ординат (рис. 179, а). Определение параметров трапеций (рис. 179, б): высоты ?0i частоты равномерного пропускания ?di, частоты пропускания ?0i, коэффициента наклона ?i = ?di/?0i с занесением в таблицу.

3. Нахождение с помощью таблиц h-функций (табл. ?9 прил.) для каждой трапеции, характеризуемой определенным значением ?i, нормированного переходного процесса hi(tтабл).

4. Пересчет нормированных процессов в натуральный масштаб с помощью формул:

5. Графическое построение составляющих переходного процесса и получение общего результирующего процесса X (t).

Назад | Содержание

| Вперед

Основные характеристики электромагнитных и электродинамических преобразователей

6.4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Статические характеристики. Основными статическими характеристиками ЭМП являются:

зависимость перемещения (линейного или углового) якоря преобразователя от тока управления (рис. 67):

где hя — линейное перемещение якоря ЭМП от нейтрального положения; ?я — угловое перемещение якоря ЭМП от нейтрального положения; i - ток в обмотках управления;

зависимость электромагнитной силы (или момента), приложенной к якорю ЭМП, от тока управления:

для ЭМП электромагнитного типа

для ЭМП электродинамического типа

где kfi и kМi — коэффициенте силовой и моментной характеристик ЭМП; с*ЭМП и сЭМП — коэффициенты, характеризующие жесткость «магнитной пружины» для линейного и углового перемещений якоря ЭМП.

Рис. 67. Статические характеристики ЭМП:

а - электромагнитного типа; б - электродинамического типа

Динамические характеристики. Обычно динамические характеристики ЭМП изучают с помощью амплитудных и фазовых частотных характеристик. Выведем основные передаточные функции для ЭМП.

Рассмотрим вначале ЭМП как механическую систему. B соответствии со вторым законом Ньютона

где J — момент инерции всех подвижных частей ЭМП, приведенный к оси вращения якоря;

- сумма моментов внешних сил, действующих на якорь ЭМП.

Если пренебречь моментом «сухого трения», то уравнение (172) можно преобразовать;

где

— момент развиваемый на валу ЭМП (для электродинамического ЭМП сЭМП = 0);

— момент нагрузки от «вязкого трения» подвижных частей ЭМП;

fЭМП — коэффициент «вязкого трения»; сП?Я — момент внешней пружинной нагрузки; сП — жесткость внешней (центрирующей) пружины.

Передаточная функция ЭМП, связывающая ?Я и i, на основании уравнения (172) может быть записана в следующем виде:

где

Рассмотрим ЭМП как электрическую систему. Уравнение электрической цепи ЭМП

где U — управляющее напряжение; R и L — активное сопротивление и индуктивность управляющей обмотки; kПЭ — коэффициент противоЭДС.

Рис. 68. Структурные схемы ЭМП

Ha основании уравнения (174) передаточная функция, связывающая i и U, при kПЭ = 0 может быть записана в следующем виде:



Обозначим



где



Таким образом, динамические характеристики ЭМП, если не учитывать противоЭДС, могут быть описаны двумя последовательно соединенными звеньями с передаточными функциями

WМЭМП(p) и WЭЭМП(p) (рис. 68, а). Аналогичный результат получим при рассмотрении динамических характеристик ЭМП электродинамического типа. Разница заключается только в том, что в формулах (173) в этом случае коэффициент сЭМП должен быть равен нулю.

Если учесть противоЭДС, то структурная схема ЭМП усложнится (рис. 68, б). Однако учет влияния противоЭДС на динамические характеристики ЭМП позволяет получить более точное совпадение экспериментальных и расчетных характеристик.

Примечание. В большинстве современных электронных усилителей, предназначенных для управления ЭМП, для улучшения динамических характеристик применяют дополнительную обратную связь по току (см. рис. 68, в).

Динамические характеристики ЭМП существенно зависят от его нагрузки, так как после соединения якоря ЭМП с гидрораспределителем ЭГУ увеличивается момент инерции подвижных частей, демпфирование и пружинная нагрузка от гидродинамических сил (в ЭГУ с соплами и заслонкой) или от сил упругого подвеса пружин и гидродинамической силы (в плоских золотниках). Эти факторы необходимо учитывать при расчете ЭМП.

Существенное влияние на динамические характеристики ЭМП может оказать сила контактного трения на входных устройствах ЭГУ, влияние которой можно уменьшить, увеличивая момент, развиваемый ЭМП, или подавая специальный осциллирующий сигнал на обмотку управления.

В качестве примера в табл. 3 приведены основные данные ЭМП электромагнитного типа.



Пример 6. Рассчитать ЭМП (IV типоразмер по табл. 3), предназначенный для управления заслонкой двухкаскадного ЭГУ.

Таблица 3

Основные параметры ЭМП



Расчетные данные: 1) момент инерции заслонки, приведенный к оси ЭМП, J*С.З= 1,44·10-6 Н·м·с2; 2) жесткость гидродинамической «пружины» cС.В = 88,3·102 Н/м; 3) расстояние от оси ЭМП до оси регулируемых сопел R0 = 10-2 м; 4) расчетное перемещение заслонки вдоль оси регулируемых сопел hm = 10-2 м.



Приведенная к оси ЭМП жесткость гидродинамической «пружины» с*С.З = 0,883 Н·м/рад. Жесткость центрирующей пружины сП выбираем с учетом сЭМП (см. табл. 3) и с*С.З по расчетному значению угла поворота ЭМП ?р = hm /R0 = 0,01 рад = 0,573°.

Суммарную жесткость» преодолеваемую ЭМП, определяем по формуле



Значение момента Мmax = 5,4·10-2 Н·м найдено по табл. 3. Там же находим сЭМП = 0,1719 Н·м/рад; тогда



Ha основании формул (173):

постоянная времени



где значение JЭМП = 1,7·10-6 Н·м·с2 выбрано по табл. 3;

относительный коэффициент демпфирования



(по табл. fЭМП = 17·10-4 Н·м·с/рад);

коэффициент усиления



(kMi = 7,7·10-4 Н·м/мА).

Коэффициент усиления по формуле (176)



постоянная времени ТЭ1 = L/R = 7·10-3 с, где R = 200 Ом; L = 1,4 Гн (см. табл. 3).

Назад | Содержание

| Вперед

Основные схемы синхронизирующих устройств

5.2. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ СИНХРОНИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Синхронизирующее устройство с электромагнитным реле. В рассматриваемом СУ в качестве нелинейного элемента служит электромагнитное реле. Схема простейшего СУ с реле переменного тока дана на рис. 58, а. Обмотка реле включена в цепь обмотки сельсина-трансформатора канала ГО, поэтому состояние контактов реле зависит от напряжения рассогласования U?О. При углах рассогласования, меньших угла переключения ?П, напряжения, снимаемого с обмотки сельсина, недостаточно для срабатывания реле. Управление осуществляется по каналу TO подачей напряжения UTO через размыкающий контакт реле. При угле рассогласования, большем угла переключения ?П, ток в цепи ГО превышает ток срабатывания реле Д, и оно своим замыкающим контактом подключает к усилителю обмотку канала ГО. Преимущество данной схемы заключается в полном разделении каналов.

Однако применение рассмотренного СУ ограничено вследствие значительного напряжения, при котором происходит переключение управления с канала TO на канал ГО. Для уменьшения границы переключения напряжение погрешности ГО, поступающее на обмотку реле, предварительно усиливают с помощью усилителя. B схеме СУ с предварительным усилением (рис. 58, б) напряжение канала TO поступает на двухкаскадный усилитель, нагрузкой которого служит обмотка реле K. Граница переключения управления с канала TO на канал ГО регулируется подачей положительного опорного напряжения на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1, на другой вход которого (инвертирующий) поступают отрицательные полуволны напряжения U?О, сформированные диодом VD1, конденсатором C1 (для сглаживания пульсаций) и резистором R1. Операционный усилитель DA1, включенный по схеме компаратора, сравнивает сигнал канала ГО с опорным напряжением. До тех пор, пока UОП > | U?О | с выхода компаратора снимается напряжение U -ВЫХ max отрицательной полярности. Транзистор VT, на котором построен второй каскад усиления, заперт, реле K обесточено, и СП работает от канала TO.

Таким образом, управление осуществляется с помощью напряжения, поступающего с канала TO.



Рис. 59. Бесконтактные СУ

При напряжениях рассогласования, превышающих порог включения ограничителя, вследствие резкого уменьшения прямого сопротивления диодов и их шунтирующего действия напряжение на выходе канала TO перестает изменяться и остается равным напряжению, соответствующему углу переключения. Управление переходит к каналу ГО, так как в нем также произойдет перераспределение падений напряжения и все напряжение выделится на резисторе R3. B результате на выходе СУ напряжение будет определяться суммой UВЫХ == UТО + UГО (рис.59, б).

Для нормальной работы синхронизатора важно, чтобы все диоды имели близкие по значению напряжения U0 (рис. 59, в) и чтобы они были соизмеримыми с напряжением переключения каналов.

Недостатком рассмотренного синхронизатора является зависимость напряжения U0 от температуры, разброс характеристик выпрямительных элементов и отсутствие четкого разделения каналов. С этой точки зрения особо следует остановиться на возможности применения в СУ стабилитронов, которые обладают характеристиками с двумя резкими перегибами в положительной и отрицательной областях (рис. 59, г). Благодаря этому стабилитрон действует как бесконтактный коммутатор, размыкающий цепь ГО при работе канала TO и четко ограничивающий сигнал TO при больших погрешностях рассогласования.



Рис. 60. СУ на диодах

Уменьшения взаимного влияния каналов можно добиться применением схемы на диодах с опорным напряжением (рис. 60). При малых углах рассогласования диоды VD1, VD2, образующие мостовую схему совместно с резисторами R1, R4, закрыты напряжением UОП, приложенным к диагонали моста. При этом к входу операционного усилителя D4 подается напряжение UТО с BE2, т. e. подключен канал TO. При напряжениях UГО, превышающих половину напряжения UОП, Диоды VD1, VD2 открываются, и управление переходит к каналу ГО. Напряжение с сельсина BE2 при этом не оказывает действия, так как сопротивление R2 значительно больше сопротивления R3, и все напряжение TO падает на R2.

Назад | Содержание

| Вперед

Основные виды стендовых испытаний следящих приводов

18.2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ

Стендовые испытания СП подразделяют на испытания при нормальных условиях, испытания на устойчивость и стойкость к воздействиям механических и климатических факторов и ресурсные испытания.

При нормальных условиях испытаний (ГОСТ 15150—69) основные климатические факторы внешней среды имеют следующие значения:

Температура внешней среды . . . . . . . . . . . . . . (25 ± 10) ?C

Атмосферное давление . . . . . . . . . . . . . . . . . (84 ... 106) кПа

Относительная влажность . . . . . . . . . . . . . . . . (45 ... 80) %

Дополнительно для следящих гидроприводов устанавливается нормальная температура рабочей жидкости в пределах 25 ... 45 ?C.

В нормальных условиях проверяют все характеристики, оговоренные в технической документации на СП, — статические и динамические.

Испытания на устойчивость и стойкость к воздействиям факторов внешней среды проводят для проверки работоспособности, СП и проверки основных характеристик как в процессе действия того или иного фактора внешней среды, так и после его действия.

Ресурсные испытания проводят для проверки работоспособности СП после наработки определенного ресурса в режимах, оговоренных в T3 на привод.

Различают последовательные параллельные и комбинированные методы испытаний. При последовательном методе испытуемый СП последовательно подвергают разного рода проверкам. При параллельном методе испытывают одновременно несколько СП при воздействии различных факторов. Такой метод позволяет существенно сократить время испытаний. При комбинированном методе СП подвергается одновременному воздействию нескольких факторов, что ближе соответствует реальным условиям эксплуатации. Однако комбинированный метод испытаний требует более сложной испытательной аппаратуры и оборудования и поэтому его применяют редко.

Испытания СП в нормальных условиях. Как правило, в процессе испытаний в нормальных условиях проверяют все требуемые характеристики СП (статические и динамические). Испытания проводятся на специальных испытательных стендах, содержащих систему нагружения СП типовыми нагрузками.

В состав испытательного стенда для ГСП (Д) входят дополнительно насосные станции, содержащие приводной электродвигатель, насос, холодильник, бак, гидроаккумулятор, предохранительные и переливные клапаны, фильтры и контрольно-измерительную аппаратуру.

При проверке статических и динамических характеристик последние могут быть определены как для отдельных узлов СП, так и для всего СП в целом. Проверка ведется по специальным методикам, разработанным для каждого типа СП.

В качестве примера рассмотрим некоторые проверки и их методику для ЭГСП (Д) с ГИУ в виде ГЦ.

Определение зоны нечувствительности регулировочной характеристики по скорости (PXC). Проверка этой характеристики ведется по следующей методике.

При подведенном к ЭГСП (Д) гидропитании и разомкнутом контуре по цепи обратной связи на вход ЭГУ подается электрический сигнал управления I1 и фиксируется его значение, соответствующее началу движения [(2 ... 3) мм/с] штока ГЦ. С помощью аппаратуры управления шток останавливается в любом промежуточном положении, а затем, постепенно уменьшая сигнал управления, фиксируем его значение I2, соответствующее началу движения штока ГЦ в противоположную сторону. Алгебраическая сумма сигналов I1 и I2 определяет зону нечувствительности PXC.

Примечание. При определении зоны нечувствительности для уменьшения влияния петли гистерезиса ЭМП перед замером его размагничивают. Для этого проводятся несколько перекладок (2—3) при сигналах управления, составляющих (50 ... 70) % Imax, (20 ... 30) % Imax и (8 ... 10) % Imax. А при замерах зоны нечувствительности управляющий сигнал не должен превышать 10 % Imax.



Рис. 180. Осциллограмма ЛАФЧХ

Определение несимметрии петли гистерезиса PXC и ее ширины. При подведенном к ЭГСП (Д) гидропитании и при разомкнутом контуре цепи обратной связи на вход ЭГУ вначале ступеньками подается 2—3 раза максимальный сигнал управления. Затем плавно подают электрический сигнал управления и фиксируют это значение IГ1, соответствующее началу движения штока ГЦ.



Следует отметить, что в настоящее время для определения ЛАФЧХ СП стали применять специализированные устройства на основе микропроцессорной техники, обеспечивающие автоматизированный процесс вычисления ЛАФЧХ, например, частотный анализатор фирмы «Солартрон» (Англия).

Определение переходного процесса. В этом случае на вход СП подают управляющий сигнал в виде ступеньки (скачкообразное изменение управляющего сигнала) и с помощью шлейфового осциллографа записывают графики входного b1 и выходного b2 сигналов. По виду переходного процесса (см. рис. 181) можно судить о запасах по устойчивости замкнутого контура СП и о его быстродействии.

Частота переходного процесса fп.п=?l/(l2??).

Значение перерегулирования в процентах находят по формуле



Величина (?l1/?l)?? определяет чистое запаздывание.



Испытания СП на механические воздействия. Все виды механических испытаний СП подразделяют на испытания:

на вибропрочность, виброустойчивость, ударную прочность устойчивость к воздействию центробежного ускорения и испытания на транспортабельность.



Рис. 181. Осциллограмма переходного процесса

Под вибропрочностью понимают свойство СП противостоять разрушающему воздействию вибрационных нагрузок. Испытания проводят на специальных вибростендах в различных диапазонах частот, соответствующих эксплуатационным условиям. Обычно кроме частоты оговариваются ускорение, амплитуда и время действия вибрации.

Под виброустойчивостью понимают свойство СП обеспечивать заданные характеристики в условиях вибраций заданной частоты при заданных ускорении и амплитуде и в течение определенного промежутка времени. Положение СП на вибростенде по отношению к направлению действия вибраций во время испытаний должно соответствовать эксплуатационному. Испытания проводят в каждом из заданных диапазонов частот при плавном изменении частоты от нижнего предела до верхнего.

Ударная прочность — это свойство СП противостоять ударным нагрузкам и выполнять свои функции после окончания их действия.



Оговариваются частота ударов, ускорение, длительность импульса и общее число ударов.

Узлы корабельных СП и СП летательных аппаратов во время испытаний должны находиться во включенном состоянии.

Под устойчивостью СП к воздействию центробежных ускорений понимается его способность нормально функционировать в условиях центробежных ускорений (линейных перегрузок). Испытания проводят на специальных центрифугах. Кроме значения ускорения оговаривается время его действия.

Испытания на транспортабельность заключаются в проверке работоспособности СП после того, как транспортное средство проделает определенный путь. Испытания проводят на булыжных и грунтовых проселочных дорогах со средней скоростью 20 … 40 км/ч и на заданном расстоянии, но не менее 200 км. Для проверки состояния СП и осматривают через каждые 100 км пути. Транспортные испытания могут быть имитированы с помощью вибростендов и ударных стендов. B этом случае оговариваются: частота и амплитуда вибрации, ускорение, длительность, ударное ускорение, длительность импульса и число ударов.

Во время механических испытаний проверяют надежность работы СП и его отдельных узлов (скользящих контактов, реле, гидромеханических устройств, контакторов и т. п.), а также их механическую прочность.

Правильность работы электрических и электронных узлов, входящих в состав СП, при механических испытаниях контролируют с помощью специальных электрических и электронных схем, позволяющих имитировать рабочие режимы испытуемых элементов и контролировать их работоспособность.



Испытания СП на воздействие климатических факторов. Под климатическими испытаниями СП понимается проверка СП на соответствие предъявляемым к ним техническим требованиям в условиях действия, оговоренных в T3 на СП климатических воздействий (влажности, отрицательной температуры, положительной температуры, пониженного давления, инея и росы).

Обычно испытаниям подлежат следующие свойства СП.

1. Влагоустойчивость при кратковременном воздействии. В этом случае оговариваются относительная влажность, температура, продолжительность испытаний, время выдержки в нормальных условиях.



Проверяется устойчивость параметров СП, и выявляются возможные дефекты (коррозия, нарушение покрытий и т. п.).

2. Высотность. Задаются атмосферное давление, положительная температура и продолжительность ее действия, отрицательная

температура и продолжительность ее действия. Проверяется

устойчивость параметров СП и выявляются возможные дефекты.

3. Холодоустойчивость. Оговариваются температура и продолжительность ее действия, время выдержки в нормальных условиях. Проверяются основные параметры СП.

4. Работоспособность в условиях инея и росы. Оговариваются отрицательная температура и продолжительность ее действия, время выдержки в нормальных условиях.

5. Теплоустойчивость. Задаются рабочая температура и время ее действия, предельная температура и время ее действия, время выдержки в нормальных условиях.

6. Устойчивость работы СП в условиях высоких температур. При этом выявляются различные дефекты (нарушение герметичности, покрытий и т. п.).

7. Влагоустойчивость при длительном воздействии. Оговариваются относительная влажность, температура, продолжительность и время выдержки при нормальных условиях. Во время испытаний проверяют устойчивость работы СП в условиях длительного пребывания в среде с повышенной влажностью. При этом выявляют различные дефекты (коррозия, повреждение покрытий и т. п.).

Кроме того, проводят испытания:

на брызгозащищенность. Оговариваются интенсивность и продолжительность испытаний. Bo время испытаний и после них проверяют работоспособность СП по ряду основных параметров:

на пылезащищенность. Оговариваются: скорость воздушного потока и продолжительность испытания. Обдувка СП осуществляется специальной пылевой смесью, содержащей 70 % песка, 15 % мела, 15 % каолина в количестве, равном 0,1 % от полезного объема испытательной камеры.

Проверка работоспособности СП проводится после испытания. Проверяется также состояние внешних защитных покрытий и наличие пыли во внутренних полостях приборов.



Ресурсные испытания СП. Эти испытания проводят по специальной программе, которую составляют на основе анализа режимов работы СП в условиях эксплуатации.



Обычно оговариваются несколько циклов работы СП и для каждого цикла указываются амплитуда движения выходного звена СП, частота и время работы, а в некоторых случаях и нагрузки на выходном звене СП. Иногда задается и температура окружающей среды, при этом возможны и заранее известны режимы изменения температуры (например, от нормальной до максимальной за определенное время или от заданной отрицательной до заданной положительной и т. д.). При испытании ЭГСП иногда оговаривается время выдержки привода под рабочим давлением и при неподвижном выходном звене.

Перед началом испытаний проводят проверки СП в нормальных условиях, а затем эти же проверки повторяют после выработки ресурса. Объем проверок после ресурсных испытаний обычно уменьшен по сравнению с объемом проверок при нормальных условиях, так как многие параметры привода в принципе не зависят от ресурсных испытаний (например, ход выходного звена, масса СП, динамические характеристики и т. д.).

Ресурсные испытания — самый трудоемкий вид испытаний, требующий больших затрат времени и средств, поэтому актуальным стал вопрос о замене полномасштабных ресурсных испытаний эквивалентными ускоренными испытаниями. Ускоренными ресурсными испытаниями считаются любые испытания, которые позволяют получить информацию о долговечности изделий за время, меньшее, чем время испытаний при эксплуатационных режимах [5]. Существует много методик проведения ускоренных ресурсных испытаний. Наиболее распространенной в технике является методика, при которой СП подвергается испытаниям в более интенсивном режиме, чем в эксплуатации, но за время, существенно меньшее, чем при обычных ресурсных испытаниях,

При определении режимов ускоренных ресурсных испытаний обычно исходят из предположения, что состояние СП и его основных узлов должно быть одинаковым как после обычных ресурсных испытаний, так и после ускоренных. В качестве основных — технических параметров при выборе эквивалентных режимов считаются износ, старение и суммарные усталостные повреждения наиболее ответственных узлов СП.

Назад | Содержание

| Вперед

Основы применения интегральных операционных усилителей

8.3. ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Интегральный ОУ — это конструктивно законченный усилитель, изготовляемый в едином технологическом цикле на одной подложке в виде интегральной микросхемы. По размерам микросхема ОУ не отличается от обычного транзистора. По принципу действия ОУ аналогичен обычному УПТ, но отличается повышенными качественными параметрами: большим коэффициентом усиления по напряжению k0, высоким входным сопротивлением RBХ и низким выходным сопротивлением RBЫХ.

Рис. 79. Принципиальная схема и условное графическое изображение ОУ

По схемному решению — это построенный на интегральных n-p-n-транзисторах трехкаскадный усилитель, включающий дифференциальный входной каскад, схему сдвига постоянного уровня и выходной каскад мощности в виде эмиттерного повторителя (рис. 79, а). Стабильность работы ОУ помимо специальной технологии изготовления обеспечивается применением двух дифференциальных каскадов усиления напряжения на транзисторах VT1, VT2 и VT4, VT5. Ток входного дифференциального каскада задается генератором стабильного тока (ГСТ), построенного на базе транзисторов VT3 и VT6, включенного по схеме диода. ГСТ обеспечивает постоянство суммы эмиттерных токов. Ток второго дифференциального каскада не фиксируется ГСТ.

Дифференциальные каскады в силу симметричности усиливают составляющую тока, определяемую только разностью входных сигналов, и подавляют синфазные составляющие, одинаковые для каждого транзистора и связанные с воздействием температуры, помехами, наводками. Как следствие из этого вытекает пригодность ОУ к работе в качестве усилителя постоянного тока.

C применением дифференциального каскада связано наличие двух входов усилителя: инвертирующего И-вх (знак выходного сигнала не совпадает со знаком входного сигнала) и неинвертирующего Н-вх (знаки совпадают), который иногда называют прямым входом. Указанные входы на условном графическом изображении ОУ (рис. 79, б) обозначены знаками «минус» (И-вх) и знаком «плюс» (Н-вх).

Второй каскад усиления образует транзистор VT7 и последовательно включенный резистор R, Транзистор VT7 собран по схеме эмиттерного повторителя и в качестве нагрузочного сопротивления имеет ГСТ на транзисторе VT8. Каскад служит для сдвига уровня сигнала, выделяемого на эмиттере транзистора VT7 путем сложения о постоянным напряжением, создаваемым на резисторе R током ГСТ.



Рис. 80. Схема включения ОУ с OC

Для согласования усилителя с низкоомной нагрузкой (входом мощного транзистора, обмоткой реле) выходной каскад ОУ выполнен на транзисторе VT9, включенном по схеме эмиттерного повторителя. Для обеспечения работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами в цепь питания ОУ включены два разнополярных источника питания En со средней точкой. Элементы частотной коррекции RK, СК (рис. 79, б) обеспечивают необходимую устойчивость ОУ.

Различают три класса ОУ: низкого (k0 < 2·104, RВХ ? 100 кОм), среднего (k0 ? 2·106, RВХ ? 0,5 МОм, Iвх = 100 нА) и высокого (k0 > 108, RВХ > 1 МОм, Iвх ? 10 нА) качества.

Реальные ОУ обладают электрическими параметрами, отличающимися от идеальных. Однако в дальнейшем для простоты будем рассматривать идеальный ОУ с входным сопротивлением #вх ~ °°» выходным сопротивлением RВЫХ = 0, собственный коэффициент усиления которого k0 = ?.

Название операционные усилители получили благодаря способности выполнять математические операции (суммирования, интегрирования) над аналоговыми сигналами. Для реализации математических действий ОУ охватывают глубокой отрицательной OC с коэффициентом kОС (рис. 80). При этом на входе усилителя будут действовать входной управляющий сигнал и сигнал OC с выхода ОУ. За счет наличия отрицательной OC усилитель становится замкнутым контуром регулирования с коэффициентом передачи, определяемым по формуле



Пренебрегая малой величиной 1/k0, получаем



и делаем вывод, что коэффициент передачи ОУ, охваченного OC, не зависит от параметров самого усилителя, а определяется обратной связью.





Сумматор сигналов строится на ОУ в инвертирующем включении (рис. 81, в). B этом случае входные напряжения через добавочные резисторы R1, R2, ... , Rn подаются на инвертирующий вход усилителя. Чтобы определить значение выходного напряжения, запишем для узла в точке A первый закон Кирхгофа с учетом того, что в идеальном ОУ входной ток равен нулю



Выходное напряжение отсюда



При условии RОС = R1 — R2 = Rn = R напряжение на выходе будет равно искомой сумме UBЫX = —(U1 + U2 + ··· + Un).



Интегратор на основе инвертирующего ОУ получается путем замены резистора RОС на конденсатор C (рис. 81, г). Так как во входную цепь идеального ОУ ток не втекает, то при подаче входного сигнала через резистор R течет ток заряда конденсатора iR = iС. C учетом значений токов iR=UВХ/R и iС=CdUВЫХ/dt получаем равенство



из которого определяем выходное напряжение



Из выражения (232) следует, что усилитель работает как интегратор с постоянной времени T = CR. При входном сигнале типа единичного скачка выходное напряжение UВЫХ= —(UВХ/T)t изменяется по линейному закону. Это свойство используют при создании генераторов пилообразного напряжения.

Если входной сигнал изменяется по гармоническому закону UВХ= Umaxsin ?t, то на выходе ОУ будет напряжение



Таким образом, амплитуда выходного сигнала равна –Umax/(?1RC), а отношение амплитуд выходного и входного сигнала —1/(?RC) обратно пропорционально круговой частоте ?. Передаточную функцию звена W(p) = —l/(Tp) можно получить непосредственно из выражения (231) заменой d/dt = p.



Рис. 82. Неинвертирующее включение ОУ



Дифференциатор на основе ОУ изображен на рис. 81, д. Так как для идеального ОУ ток, проходящий через резистор R, является током заряда конденсатора, то



Заменяя p=d/dt в выражении (233), получаем передаточную функцию W(p)=—Tp дифференцирующего звена.



Неинвертирующее включение ОУ. При таком включении решающим входом является прямой вход (см. рис. 82, a). В цепи OC использован делитель напряжения на резисторах Roc и R2, определяющий глубину отрицательной OC: Roc= R2/(ROC + R2).



Коэффициент передачи идеального усилителя согласно выражению (229) при такой схеме включения



Как особый случай следует рассмотреть включение ОУ по прямому входу при R2 = ? и Roc = 0 (см. рис. 82, б). Согласно выражению (234) kП=1, и схема выполняет роль повторителя напряжения. Подобно эмиттерному повторителю, повторитель напряжения находит применение для согласования сопротивлений источника и входного каскада усилителя.



Нелинейные схемы включения ОУ. При таком включении используют оба входа ОУ.



Компаратор. Это устройство, построенное на основе ОУ без OC и предназначенное для сравнения непрерывного входного сигнала UBX c постоянным по значению опорным напряжением UОП (рис. 83). В зависимости от способа подачи сравниваемых сигналов компараторы делят на одновходовые и двухвходовые. Одновходовой (рис. 83, а) компаратор предназначен для сравнения разнополярных входного и опорного напряжений. Двухвходовой (рис. 83, б) сравнивает сигналы одной полярности, поданные на разные входы.

Принцип действия обоих компараторов одинаков и основан на использовании дифференциального каскада, реагирующего на разность входных сигналов. А так как ОУ, не охваченный OC, усиливает эту разность с большим коэффициентом усиления k0, то напряжение UВЫХ быстро возрастает до некоторого положительного UВЫХmax или отрицательного UВЫХmax уровня в зависимости от знака разности. Для схемы на рис. 83, а



Для схемы на рис. 83, б





Рис. 83. Компаратор

Точность сравнения компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить уровень UОП, чтобы произошло переключение уровней. Поскольку компараторы преобразуют входной непрерывный сигнал в дискретную величину на выходе, они относятся к дискретным элементам.

Генератор прямоугольных импульсов (ГПИ). Основу ГПИ (рис. 84, а) составляет ОУ, в котором задействованы оба входа. За счет применения положительной OC по прямому входу ОУ приобретает свойства компаратора, а за счет применения отрицательной OC по инвертирующему входу, содержащему RC-элементы, создает режим генератора.



Форма напряжения на неинвертирующем входе соответствует форме выходного напряжения, а его значение ослаблено в ? раз, где ? — коэффициент передачи сигнала, определяемый ? = Roc/RВЫХ = R3/(R2 + R3). Поскольку при включении ОУ положительная ОС мгновенно вводит его в режим насыщения, то на выходе ОУ устанавливается один из уровней

U+ВЫХmax (U ЇВЫХmax). По цепи прямой связи ОС на прямой вход поступает напряжение ?U+ВЫХmax, по цепи отрицательной ОС выходной сигнал будет дифференцироваться и за счет заряда конденсатора возрастать по экспоненте. Время, в течение которого уровень на выходе ОУ остается постоянным, будет определяться временем tи заряда конденсатора C. В момент, когда напряжения на обоих входах сравняются Uc = ?U+ВЫХmax (рис. 84, б), выходное напряжение ОУ переключится на другой предельный уровень U ЇВЫХmax. С этого момента начнется перезаряд конденсатора до значения ?U ЇВЫХmax. Процесс генерации будет продолжаться до выключения ОУ. B результате на выходе ОУ вырабатываются симметричные прямоугольные импульсы, длительность которых tи = Т/2.



Рис. 84. ОУ в режиме генератора





Генератор импульсов треугольной формы (ГТИ). ГТИ можно получить на основе ГПИ, подавая напряжение с его выхода на генератор, выполненный на RC-цепочке или на ОУ,

Схема генератора, изображенная на рис. 84, в, построена на двух ОУ. Усилитель DA1 включен по схеме компаратора для формирования прямоугольных импульсов, поступающих на вход усилителя DA2, включенного по схеме интегратора. Выходное напряжение DA2 при поступлении на его инвертирующий вход прямоугольного импульса определенной полярности изменяется линейно. Это напряжение по цепи отрицательной OC через резистор R подается на инвертирующий вход DA1. В тот момент, когда оно сравняется с напряжением на неинвертирующем входе, на выходе DA1 появится импульс другой полярности. Конденсатор C начнет разряжаться до нуля, а потом перезаряжаться до нового уровня с частотой, определяемой частотой переключения ГПИ (рис. 84, г).

Назад | Содержание

| Вперед

Пассивные и активные корректирующие устройства

9.4. ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Пассивные КУ применяют в виде электрических контуров, построенных на базе пассивных линейных R, С - элементов. Они не содержат источников питания, и преобразование сигнала сопровождается частичным его ослаблением. Различные сочетания K, С - элементов придают контурам интегрирующие и дифференцирующие свойства в заданном диапазоне частот. Передаточные функции и частотные характеристики типовых контуров определены заранее и сведены в специальные таблицы, облегчающие выбор КУ. Некоторые наиболее типичные контуры представлены в табл. 4 с указанием соответствующих им передаточных функций и выражений, связывающих параметры элементов контуров с коэффициентами передаточных функций.

Преимуществами пассивных контуров являются простота изготовления и широкий класс реализуемых функций. К недостаткам следует отнести чувствительность к помехам и ослабление сигнала, вносимое контурами.

Активные КУ наряду с преобразованием сигнала выполняют функцию его усиления. К активным КУ относятся активные устройства на основе пассивных RС - цепочек, тахогенераторы; гидромеханические КУ.

Активные КУ первого типа формируют путем различных комбинаций пассивных контуров с активными элементами, выполняющих роль базовых элементов КУ. КУ, состоящее из однополупериодного ФЧУ с интегрирующим контуром в цепи ОС [8], показано на рис. 115, а. Каскад ФЧУ собран по балансной мостовой схеме на транзисторах VT1, VT2 и вторичных обмотках трансформатора опорного напряжения T2. В диагональ моста включен резистор нагрузки Ra, напряжение с которого через фильтр R3, C3 подается на выход схемы. При отсутствии сигнала рассогласования мост уравновешен, начальные коллекторные токи транзисторов, протекающие по RН в противоположных направлениях, взаимно компенсируются. Выходное напряжение равно нулю. Входной сигнал, поступающий на базы транзисторов с трансформатора T1 в противофазе, вызовет протекание по нагрузке разностного тока определенного направления.

Рис. 115.

КУ на усилительном каскаде

Таблица 4 Пассивные КУ





Продолжение табл. 4



Выходное напряжение, снимаемое с RН, поступает на базу транзистора VT1 через интегрирующий контур R1C1 и на базу транзистора VT2 через интегрирующий контур R2, C2 в виде сигнала отрицательной OC. В результате ФЧУ, охваченный OC в виде интегрирующего контура, приобретает качественно новые свойства выпрямителя с преобразованием сигнала. Передаточную функцию КУ можно получить из эквивалентной схемы, представленной на рис. 115, б:



где kУ — коэффициент усиления ФЧУ; ?, ? — постоянные времени КУ; T = ? /(1 + kУ); ? = R1C1(R2С2).

В качестве активных элементов для синтеза КУ могут быть использованы операционные усилители. Обладающие большим входным сопротивлением (десятки мегаома) и низким выходным (доли ома) ОУ дают возможность путем включения во входной цепи и цепи ОС пассивных RC - элементов получить сложные передаточные функции (схема 5 табл. 5). При высоком коэффициенте усиления (kу >> 1) и глубокой отрицательной OC, охватывающей усилитель, передаточная функция будет зависеть только от параметров элементов OС и входной цепи: W (p) = ZОC (p)/ZBx(р).

Таблица 5



Это определяет простоту конструирования и большое количество функций, которые могут быть реализованы для коррекции. Усиление сигнала за счет дополнительного источника питания, сопровождающее процесс дифференцирования и интегрирования, улучшает процесс коррекции.

Назад | Содержание

| Вперед

---

---