Моделирование системы управления двухдвигательным электроприводом станка

А.С. Гольцов, А.Г. Бурцев
Волжский политехнический институт,
г. Волжский


Одной из наиболее важных технологических операций в процессе изготовления дорновых рукавов является операция навивки спирали стальной проволоки или хлопчатобумажного шнура на заготовку рукава с заданным шагом.

Для осуществления этой операции на предприятии Волжского научно-технического комплекса ВолгГТУ разработан станок НО 579. Электропривод станка состоит из двух трёхфазных асинхронных двигателей. Первый двигатель (М1) вращает дорн, на котором находится заготовка рукава, а второй (М2) перемещает каретку, на которой располагается барабан с проволокой, вдоль дорна. Величина шага спирали t определяется соотношением линейной скорости перемещения бобины с проволокой v и частоты вращения дорна n:

Таким образом, для регулирования шага намотки проволоки необходимо осуществлять согласованное управление скоростями сепаратных электродвигателей дорна и каретки.

Вследствие отсутствия системы управления станком имеются недостатки: 1) не осуществляется точное соотношение скоростей двигателей, и, как следствие, не обеспечивается точный шаг намотки; 2) из возмущающих факторов учитывается только прогиб дорна; 3) нет возможности автоматически менять шаг намотки при сборке одного рукава.

Была поставлена задача повышения эффективности производства рукавов с помощью системы частотного управления электроприводом станка. Для этого выбрана система «частотный преобразователь – асинхронный двигатель», как наиболее современная и качественная.

Система управления должна обеспечить выполнение технологических требований: 1) диапазон частоты вращения электродвигателя дорна 20:1; 2) диапазон частоты вращения электродвигателя каретки в рабочем режиме 87,5:1; 3) статическая точность стабилизации частоты вращения не более ±2,8 %; 4) перерегулирование при отработке скачка задания частоты и момента сопротивления не более 5 % .

Для реализации системы выбраны преобразователи частоты Micromaster 440. Для теоретического исследования динамики асинхронного электропривода выбрана упрощённая математическая модель, так как работа электропривода станка носит установившийся характер и исследование двигателей происходит только в области рабочей зоны механической характеристики. Передаточные функции двигателей рассчитаны по паспортным данным [1].

В пакете Vissim 5.0 проведено моделирование сепаратных незамкнутых электроприводов и с обратной связью по скорости. Рассчитаны настройки ПИ-регуляторов скорости. Моделирование динамики выполнялось при задании воздействия по управлению и по возмущению. Применение ПИ-регулятора скорости позволит: для электропривода дорна исключить перерегулирование; для электропривода каретки значительно уменьшить (до 0,4 с) время переходного процесса.

Установлен оптимальный режим согласованной работы двигателей в процессе сборки рукава, при котором обеспечивается максимальная производительность процесса сборки рукава и минимизируется влияние возмущений на шаг навивки. Для этого рекомендуется проводить переход от одного шага к другому (от одного соотношения скоростей к другому) на малых скоростях с последующим синхронным разгоном двигателей до рабочих скоростей. В пакете MathCAD проведено моделирование режима работы двигателей для условий: шаг заправочный - 3 мм, шаг рабочий 35 мм, начальная частота вращения дорна - 5 об/мин, возмущение составляет 10-15 % от номинальной силы натяжения проволоки F = 100 H.

В результате сделан вывод, что время работы двигателей на малых скоростях и при рабочем шаге спирали должно быть минимально, так как на этом участке наблюдается наибольшее отклонение шага (до 30 %).

Для исследования режимов управления скоростью двигателей выполнены экспериментальные работы на установке, содержащей два асинхронных двигателя, преобразователи частоты Micromaster Vector и нагрузочные устройства. Исследованы статические характеристики для режимов: u/f с IR компенсацией (FCC) и векторного бессенсорного режима. Механические характеристики получены измерением частоты вращения двигателя и механического момента на валу. Режим FCC имеет статическую ошибку 2,3 %, что сокращает его диапазон регулирования до 70:1. При использовании компенсации скольжения или векторного режима управления статическая ошибка практически отсутствует и диапазон равен 75:1.

Исследованы способы реализации системы управления скоростями сепаратных электроприводов: последовательный и параллельный [2]. При последовательном режиме была выявлена значительная ошибка (до 100 об/мин) в выходном значении частоты ведущего электропривода. Из этого следует, что использование аналогового выхода частотного преобразователя в качестве сигнала задания или обратной связи невозможно.

При экспериментальном исследовании динамических режимов сепаратной системы использованы показания дисплея и осциллографа, состоящего из аналого-цифрового преобразователя ADB13x100 и персонального компьютера. Обработка осциллограмм выполнялась в среде MathCAD. Анализ осциллограмм (рисунок) показал, что в режиме u/f наблюдается динамическая ошибка, которая на частоте вращения n= 300 об/мин составляет d= 60 об/мин. Этот режим также нельзя применять без использования датчика скорости. При векторном режиме просадка скорости (или динамическая ошибка) при n = 300 об/мин составляет 130 об/мин. Но по истечении времени переходного процесса (около 1 секунды), ошибка сводится, практически, до нуля. На частоте 1400 об/мин при возникновении динамической ошибки шаг намотки спирали увеличивается на 2 мм, что составляет ошибку по шагу примерно 13 %. Время динамической ошибки соответствует технологическим условиям. Поэтому этот режим приемлем для обеспечения заданной точности.

Осциллограммы просадки скорости вследствие приложения статического момента сопротивления для режимов FCC (а) и векторного (б)

Можно сделать вывод, что для управления электроприводом дорна может быть предложено скалярное u/f регулирование с IR-компенсацией (FCC) и компенсацией скольжения или векторное управление без датчика скорости. Для управления электроприводом каретки целесообразно применить скалярное u/f - регулирование с датчиком скорости. При некотором снижении диапазона регулирования (до 50:1) за счёт введения в кинематическую цепь дополнительной ступени редуктора возможно использование скалярного u/f – управления с IR-компенсацией (FCC) и компенсацией скольжения (80 %) или векторное управление без датчика скорости. Разработана система управления электроприводом станка на основе промышленного контроллера ОВЕН 150. Алгоритм управления электроприводом станка разработан в соответствии с регламентом технологического процесса намотки (тахограммами двигателей).

Список литературы

1. Терехов В.М. Системы управления электроприводом / В.М. Терехов. – М.: Изд. центр Академия, 2005. –304 с.

2. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. – М.: Изд. центр Академия, 2004. – 577с.


Назад к списку