Полупроводниковый коммутатор К является силовым преобразователем дискретного привода и состоит из двух функциональных узлов: импульсного усилителя мощности УМ и распределителя импульсов РИ, управляющего работой УМ. Число каналов в усилителе мощности равно числу обмоток управления ШД (в рассматриваемом случае УМ1-УМ4).
Коммутатор шагового двигателя. Коммутатор служит для преобразования одноканальной последовательности командных импульсов Uвх к в многофазную систему напряжений (потенциальных сигналов) и усиления этих напряжений U1-U4 перед их подачей на обмотки управления ШД. Первую часть этой задачи решает распределитель импульсов РИ.
Распределители импульсов бывают:
• нереверсивные, обеспечивающие одно направление вращения;
• реверсивные, обеспечивающие оба направления вращения.
Рис. 7. Функциональная схема разомкнутого дискретного привода с четырехфазным ШД
Реверсивные распределители при управлении однополярными импульсами имеют два входных канала: «Вперед» и «Назад». В первый канал командные импульсы поступают при повороте ротора вперед, во второй канал — при повороте назад.
Логику работы нереверсивного распределителя импульсов проанализируем на примере четырехтактной однополярной схемы управления четырехфазным ШД. На рис. 8, а показана временная диаграмма одноканальных командных импульсов Uвх к, периоды их следования обозначены римскими цифрами I, II, III и т. д. При поступлении каждого командного импульса РИ изменяет напряжения управления U1-U4 на входах усилителей мощности УМ1-УМ4 таким образом, чтобы на обмотки управления ШД через УМ1-УМ4 поступали соответствующие силовые импульсы.
Рис. 8. Пример четырехтактной однополярной схемы управления четырехфазным ШД Распределители импульсов бывают аппаратные (исторически появились раньше) и программные. Аппаратные распределители обычно реализуются на базе дискретных полупроводниковых элементов или интегральных микросхем в виде сдвигающих регистров или счетчиков с дешифратором. На рис. 8, б показана схема распределителя импульсов, выполненного в виде сдвигающего регистра на двух JK-триггерах и позволяющего реализовать временную диаграмму импульсов, представленную на рис. 8, а.
Усилители мощности УМ, питающие обмотки управления ШД силовыми импульсами напряжения (тока), реализуются на транзисторах или запираемых тиристорах.
Преобразователь служит для реализации требуемого закона управления приводом. Примерами таких характерных режимов являются следующие:
1. Искусственное дробление (уменьшение) шага, достигаемое за счет ступенчатой модуляции тока в обмотках управления ШД в пределах основного шага.
2. Программный разгон и торможение, обеспечивающие работу привода в переходных режимах без потери шагов; достигается за счет изменения частоты управляющих импульсов по требуемым законам.
3. Старт-стопный режим, обеспечивающий минимальную динамическую ошибку в процессе отработки шага; достигается за счет перевода привода в режим торможения противовключением на отдельных отрезках времени отработки шага (одного, двух, трех).
В простейших случаях преобразователи реализуются аппаратным способом на дискретных или интегральных элементах для каждого конкретного режима. На рис. 9, а показана схема преобразователя, позволяющего реализовать закон нарастания частоты импульсов при разгоне, приведенный на рис. 9, б. Преобразователь реализован на линиях задержки ЛЗ1-ЛЗ4, уставки ЛЗ Δt1>Δt2>Δt3>Δt4, значение Δt1 соответствует частоте приемистости. Генератор импульсов ГИ формирует импульсы заданной предельной частоты.
В современных электроприводах с различными сочетаниями режимов работы на отдельных участках технологического процесса многорежимные аппаратные преобразователи получаются очень сложными. Поэтому все чаще задачу преобразователей выполняют микроконтроллеры с заложенными в них программами реализации требуемых режимов. В целом ряде случаев контроллеры берут на себя и часть функций распределителя импульсов.
а)
б) Рис. 9. Схема преобразователя
2.
2. Непрерывные исполнительные устройства разомкнутого типа
Выходным сигналом таких систем является сигнал с цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Рассмотрим основные нотации данного принципа на примере якорного непрерывного способа регулирования скорости исполнительных двигателей постоянного тока.
Магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения главных полюсов (рис. 10, а), либо постоянными магнитами (рис. 10, б).
Рис 10. Иллюстрация магнитного потока, который создается током, протекающим по обмотке возбуждения главных полюсов (а),
либо постоянными магнитами (б)
В первом случае обмотка возбуждения постоянно подключается к независимому источнику питания с напряжением U, равным номинальному для двигателя (U=const, Ф=const). Угловая скорость ротора регулируется изменением напряжения управления Uу на обмотке якоря.
Анализ начнем с получения уравнений механических и регулировочных характеристик. Эти уравнения принято рассматривать в относительных единицах:
коэффициент сигнала — α=Uу/Uу.ном;
относительная угловая скорость — ω*=ω/ωо.ид ;
относительный момент — М*=Мэм/Мп.
Здесь ωо.ид — угловая скорость идеального х.х. при α = 1, МП — пусковой момент при α = 1.
Для исполнительного двигателя с якорным управлением при произвольном α уравнение механической характеристики при Rд=0 имеет вид:
ω*= α - М*, (1)
При постоянном коэффициенте сигнала α выражение (1) является уравнением механической характеристики ω*=f (М*) исполнительного двигателя с якорным управлением, а при постоянном моменте М* - уравнением регулировочной характеристики ω*=f (α). Из (1) следует, что механические и регулировочные характеристики при якорном управлении линейные (рис. 11).
Рис. 11. Механические и регулировочные характеристики при якорном управлении Механические характеристики (рис. 10, а) обеспечивают устойчивость работы двигателя при якорном управлении во всем диапазоне угловых скоростей ω*=0−1. Жесткость механических характеристик остается неизменной при любом коэффициенте сигнала α. Значение пускового момента в относительных единицах равно коэффициенту сигнала: Мпа*=α, т. е. пусковой момент прямо пропорционален напряжению управления. Прямо пропорциональна напряжению управления и скорость холостого хода: ωоа*=α.
Якорный способ управления обеспечивает линейную зависимость угловой скорости ротора от напряжения управления при любом моменте нагрузки на валу (рис. 11, б). Следует отметить, что регулировочная характеристика ненагруженного двигателя начинается от нуля только в идеальном случае (М*=0), когда механические потери в двигателе равны нулю. У реальных двигателей в режиме х.х. (пунктирная линия) ротор начинает вращаться при определенном напряжении трогания, отличном от нуля (соответствующий коэффициент сигнала обозначен αтр).
Значение αтр зависит от момента трения в двигателе и определяет зону нечувствительности; у исполнительных двигателей постоянного тока αтр не превышает 0,05.
При якорном управлении мощность управления, потребляемая якорем, составляет 80−95% от всей потребляемой мощности (меньшие значения относятся к двигателям меньшей мощности). Значительная мощность управления — недостаток якорного способа, поскольку возникает необходимость в мощных источниках сигнала управления (электронных, магнитных усилителях и т. д.).
Заключение
В реферате рассмотрены основные определения и примеры СРВ. Детально проанализированы функции систем управления процессами в реальном времени, функции оперативного управления СРВ.
Также рассмотрены исполнительные устройства разомкнутого типа (дискретные и непрерывны) на примере систем разомкнутого дискретного привода с шаговым двигателем и якорного непрерывного способа регулирования скорости исполнительных двигателей постоянного тока.
1. Системы реального времени: конспект лекций / Владим. гос. ун-т; сост. А. С. Голубев. — Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. — 127 с.
2. Сорокин С. Системы реального времени // Современные технологии автоматизации. — № 2. — 1997. — С. 22−29.
3. Зыль С., Махилёв В. Защищенная операционная система реального времени // Современные технологии автоматизации. — № 3. — 2007. — С. 82−84.
4. Технические средства автоматизации и управления: исполнительные устройства: Учебное пособие / Г. Б. Фалк; Под ред. А. Ф. Каперко. — Москва: Московский государственный институт электроники и математики, 2004. — 127 с.
5. Костюхин К. А. Отладка систем реального времени. Обзор. — [Online]. Available:
http://citforum.ru/programming/digest/rtsdebug.shtml
6. Системы реального времени: основные понятия. — [Online]. Available:
http://pmi.ulstu.ru/new_project/new/4.html
7. QNX. — [Online]. Available:
http://ru.wikipedia.org/wiki/QNX
8. Зубов Д. А. Автоматическое управление технологическими процессами углеобогатительной фабрики: Монография. — Луганск: Изд-во Восточноукраинского нац. ун-та им. В. Даля, 2003. — 172 с.
