Синтез непрерывных регуляторов в мехатронной системе с ВД

При построении системы управления электропривода с вентильным двигателем используются в основном три функциональные схемы, представленные на рисунке 2.2. Желаемые динамические и точностные характеристики системы можно получить в любой из представленных структур, однако, существенное различие будет наблюдаться в энергетических и электромагнитных характеристиках системы.

Рисунок 2.2. – Функциональные схемы системы управления электроприводом с вентильным двигателем

В функциональной схеме (рис. 2.2а) главному (скоростному) контуру подчинён обязательный для всех приводов с вентильным двигателем контур синхронизации управления силовым полупроводниковым преобразователем (СУ СПП). Этот контур содержит датчик положения ротора и преобразователь координат.

В функциональной схеме (рис. 2.2б) контур тока является внутренним по отношению к контуру СУ СПП. В этом случае обратная связь по току реализуется в неподвижной системе координат и регулятор тока (РТ) выполняется релейным, обеспечивающим скользящее управление током на выходе СПП.

В функциональной схеме (рис. 2.2в) контур тока является внешним по отношению к контуру синхронизации управления СПП. В этом случае управление током осуществляется во вращающейся системе координат, и регулятор тока синтезируется в соответствии с классической теорией синтеза линейных регуляторов.

Заданные техническими условиями динамические характеристики электропривода, могут быть обеспечены в любой из рассмотренных функциональных схем. Существенное влияние структура системы управления электроприводом оказывает на электромагнитные и энергетические характеристики. Следует отметить, что энергетические свойства системы особенно важны для мощных систем, работающих от автономных источников питания.

В установившемся режиме электромагнитные и электромеханические процессы в электроприводе, реализованном по функциональной схеме (рис. 2.2а), описываются уравнениями:

                                  (2.1)

где – напряжение питания; – сопротивление обмотки якоря; – индуктивность ротора по продольной оси; – индуктивность ротора по поперечной оси; – ток статора по продольной оси; – ток статора по поперечной оси;  – конструктивные постоянные двигателя; – электромагнитный момент.

В случае 2х контурной системы управления (рис. 2.2а) при изменении момента нагрузки на валу исполнительного двигателя изменяется значение напряжения U ₁  на выходе регулятора скорости. Изменение U ₁  вызывает изменение токов продольной и поперечной составляющих.

Таким образом, для расчета электромагнитных и энергетических характеристик в системе следует при заданной скорости вращения вала двигателя задавать значения напряжения U₁ в выбранном диапазоне. Энергетические характеристики привода рассчитываются по следующим уравнениям:

                                            (2.2)

В случае 3-х контурной системы управления приводом (рис. 2.2б и 2.2в) при заданном значении скорости изменение момента нагрузки на валу исполнительного двигателя изменяет значение тока двигателя I₁. При этом напряжения продольной и поперечной составляющих находятся из уравнений:

    (2.3)

В функциональной схеме (рисунок 2.2б) контур СУ СПП является внешним по отношению к контуру тока. Регулятор тока в данной структурной схеме является релейным. После замыкания обратной связи по току, контур тока можно считать безынерционным, а силовой полупроводниковый преобразователь – источником тока. Тогда передаточная функция контура тока будет равна:

.

Однако, запаздывание Т в канале ДПР-ПК-СПП присутствует (уравнения 2.3) и оказывает существенное влияние на характеристики привода.

 В функциональной схеме (рисунок 2.2в) контур СУ СПП является внутренним по отношению к контуру тока. В этом случае регулятор в контуре тока линейный и запаздывание Т  компенсируется регулятором тока и в уравнениях (2.3) можно положить Т=0.

Для расчета электромагнитных и энергетических характеристик следует при заданной скорости задавать значения тока I ₁ в выбранном диапазоне, и далее рассчитать значения электромагнитных и энергетических величин и построить требуемые характеристики. Энергетические характеристики привода рассчитываются по следующим уравнениям:

                                                (2.4)