Система управления испытательной центрифугой

Авторы патента:

Предлагаемая полезная модель относится к испытательной технике, а именно, к испытаниям и калибровке приборов и устройств, более конкретно, к системам управления центрифугами для испытания изделий, например, приборов авиационных и космических летательных аппаратов, на которые при эксплуатации воздействуют значительные по величине центробежные ускорения.

Целью предлагаемой полезной модели является повышение точности поддержания заданного ускорения на рабочем столе центрифуги.

Указанная цель достигается за счет того, что выход преобразователя угловых перемещений, размещенного на валу ротора центрифуги, подключен ко входу интерфейсного устройства, своим выходом соединенного со входом системного блока компьютера, выход которого подключен ко входу цифро-аналогового преобразователя, выходом соединенного с управляющим, входом частотного преобразователя, регулирующие выходы которого подключены к соответствующим статорным обмоткам асинхронного двигателя, вращающего ротор центрифуги, а системный блок компьютера при этом выполняет операции создания задающего управляющего воздействия, сравнения его с сигналом обратной связи от преобразователя угловых перемещений после соответствующей обработки его интерфейсным устройством и формирования разностного цифрового сигнала. 1 илл.

Известны центрифуги для испытания изделий (Стенд для испытания изделий на воздействие постоянных и низкочастотных ускорений. А.с. СССР 813155, опубл. 15.03.81. Бюллетень 10) /1/, (Двойная центрифуга для создания низкочастотных синусоидальных ускорений. Экспресс-информация. Испытательные приборы и стенды. М., 1963 г., ВИНИТИ, 15. С.1-11) /2/, содержащие в общем случае станину с установленным на ней ротором, один или два рабочих стола для крепления испытываемых изделий, размещенных на роторе, и имеющих возможность вращения вокруг оси, параллельной оси вращения ротора, механизм синхронизации, обеспечивающий синхронное вращение одного из рабочих столов в направлении, противоположном направлению вращения ротора, для обеспечения постоянной величины ускорения в любой точке испытываемого изделия, и систему управления электроприводом ротора центрифуги.

В связи с отсутствием в известных литературных источниках информации сведений о системах управления центрифугами в качестве аналога предполагаемой полезной модели взята система управления электроприводом центрифуги СЦП-250 (конструкторская документация СКБИМ Хб2.965.001, 1977 г.) /3/.

Электропривод центрифуги СЦП-250 выполнен на базе двигателя постоянного тока, управляемого тиристорным преобразователем. Система управления электроприводом ротора центрифуги представляет собой сочетание двух систем автоматического регулирования (CAP): статической и астатической.

Статическая CAP осуществляет поддержание скорости вращения ротора центрифуги пропорционально управляющему сигналу на входе тиристорного преобразователя в режимах «разгон», «рабочий режим» и «останов» центрифуги. Обратная связь по скорости осуществляется через тахогенератор, встроенный в приводной двигатель.

Астатическая CAP с помощью входящего в ее состав электромеханического интегратора производит формирование управляющих тиристорным преобразователем сигналов в режимах «разгон» и «останов» центрифуги, а также поддерживает скорость вращения ротора центрифуги в заданных пределах в «рабочем режиме».

Задание скорости вращения ротора центрифуги производится кодовым переключателем (двоично-десятичный код 1-2-4-8) с дискретностью 1 оборот в минуту с блока дискриминатора. При подаче команды «разгон» осуществляется запуск электромеханического интегратора, на выходе которого появляется возрастающий со скоростью 1 В/мин, управляющий сигнал, который подается на вход тиристорного преобразователя. Пропорционально управляющему сигналу на выходе тиристорного преобразователя увеличивается напряжение, подаваемое в якорную цепь приводного двигателя, что приводит к увеличению скорости его вращения. Датчиком обратной связи по скорости служит блок электромагнитных датчиков, расположенный неподвижно на основании центрифуги в непосредственной близости от стального диска с пазами, закрепленного на роторе центрифуги. При вращении ротора центрифуги с блока датчиков сигнал обратной связи с частотой, пропорциональной скорости вращения ротора центрифуги и формой, близкой к синусоидальной, подается на частотомер типа Ч3-38, измеряющий частоту этого сигнала, а, следовательно, скорость вращения ротора центрифуги. Выходной сигнал частотомера в коде 1-2-4-8 подается на дискриминатор, где производится сравнение текущего значения скорости с заданной. При равенстве кодов подается команда на прекращение работы электромеханического интегратора, напряжение на выходе которого прекращает возрастать, а, следовательно, перестает возрастать скорость вращения ротора центрифуги (режим «разгон» закончен).

В режиме «останова» астатическая CAP работает в обратную сторону, уменьшая напряжение на выходе электромеханического интегратора до минимального значения, при котором двигатель интегратора останавливается, что приводит к останову приводного двигателя ротора центрифуги.

Основным недостатком аналога является большая погрешность поддержания заданного ускорения на рабочем столе центрифуги (нормированная погрешность поддержания ускорения на рабочем столе центрифуги СЦП-250 составляет ±10%), связанная с использованием тахогенератора в качестве датчика скорости в цепи обратной связи. Эта погрешность определяется нелинейностью и асимметрией выходной характеристики, температурным дрейфом и зоной нечувствительности датчиков скорости на основе тахогенераторов, что приводит к увеличению статической ошибки и сужению диапазона регулирования (Справочник по средствам автоматизации. Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. М., изд. «Энергоатомиздат», 1983. С.363-364) /4/. Наличие в выходном сигнале тахогенератора низкочастотной переменной составляющей (Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В.А.Алексеева и А.В.Шинянского. М., изд. «Энергоатомиздат», 1983. С.114-116) /5/ приводит к появлению переменной составляющей в токе якоря регулируемого с помощью тахогенератора двигателя и снижению быстродействия регулятора скорости.

Данная цель достигается за счет того, что выход преобразователя угловых перемещений, размещенного на валу ротора центрифуги, подключен ко входу интерфейсного устройства, своим выходом соединенного со входом системного блока компьютера, выход которого подключен ко входу цифро-аналогового преобразователя, выходом соединенного с управляющим входом частотного преобразователя, регулирующие выходы которого подключены к соответствующим статорным обмоткам асинхронного двигателя, вращающего ротор центрифуги, а системный блок компьютера при этом выполняет операции создания задающего управляющего воздействия, сравнения его с сигналом обратной связи от преобразователя угловых перемещений после соответствующей обработки его интерфейсным устройством и формирования разностного цифрового сигнала.

Структурная схема системы управления испытательной центрифугой представлена на рисунке.

Схема включает в себя системный блок 1 компьютера, цифро-аналоговый преобразователь 2, частотный преобразователь 3, приводной двигатель 4, датчик угловых перемещений 5, интерфейсное устройство 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Системный блок 1 компьютера по специальной программе формирует сигнал задания (управляющее воздействие), соответствующий режимам «разгона» центрифуги (линейноизменяющийся сигнал с заданной скоростью возрастания), «рабочему режиму» - с уровнем требуемой величины испытательного ускорения и времени испытания изделия и режиму «останова» центрифуги. Задающий сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь 2, который преобразует его в аналоговый вид. Преобразованный задающий сигнал подается на управляющий вход частотного преобразователя 3 (Бармин А., Тошлинский А. Преобразователи частоты фирмы Siemens // Современные технологии автоматизации. 2000. 4. С.6-19) /6/, который в соответствии с задающим сигналом изменяет амплитуду и частоту трехфазного напряжения электрической сети, подаваемого на статорные обмотки асинхронного двигателя 4, вращающего ротор центрифуги, вследствие чего двигатель 4 изменяет свою скорость вращения в соответствии с законом изменения задающего сигнала (Москаленко В.В. Электрический привод. М., изд. ACADEMA, 2004. С.95-149) /7/. Сигнал обратной связи с датчика 5 угловых перемещений, пропорциональный скорости вращения ротора центрифуги, преобразуется интерфейсным устройством 6 и поступает в системный блок 1 компьютера. В системном блоке 1 компьютера сигнал обратной связи сравнивается в цифровом виде с сигналом задания и разностным сигналом после преобразования его цифро-аналоговым преобразователем 2 управляется частотный преобразователь 3, воздействующий на приводной двигатель 4.

В предлагаемом устройстве исключены недостатки, свойственные аналогу, за счет использованного цифрового контура регулирования, частотного преобразователя с векторным управлением (тип EI-9011 производства фирмы «Веспер» (www.vesper.ru. Преобразователи частоты компании ВЕСПЕР) /8/, и оптико-электронного преобразователя угловых перемещений типа ЛИР (www.skbis.ru. Преобразователи угловых перемещений производства СКБ ИС) /9/, у наиболее точного из которых погрешность измерения угловых перемещений не превышает ±0,5°, в совокупности с соответствующей платой интерфейса типа ЛИР-910 (или ЛИР-920, ЛИР-930) (www.skbis.ru. Преобразователи цифровой индикации производства СКБ ИС) /10/.

У реализованного предлагаемого устройства погрешность поддержания заданного ускорения на рабочем столе центрифуги не превышает ±(2÷3)% в зависимости от класса точности использованного преобразователя угловых перемещений (преобразователи типа ЛИР имеют шесть классов точности, в соответствии с которыми погрешность преобразователей находится в пределах от ±5° до ±0,5°).

Заявляемую полезную модель предполагается использовать при модернизации центрифуги испытательной СЦП-250.

Использованные источники:

1. Стенд для испытания изделий на воздействие постоянных и низкочастотных ускорений. А.с. СССР 813155, опубл. 15.03.81. Бюллетень 10.

2. Двойная центрифуга для создания низкочастотных синусоидальных ускорений. Экспресс-информация. Испытательные приборы и стенды. М, 1963 г., ВИНИТИ, 15. С.1-11.

3. Конструкторская документация СКБИМ Хб2.965.001, 1977 г.

4. Справочник по средствам автоматизации. Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. М., изд. «Энергоатомиздат», 1983. С.363-364.

5. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В.А.Алексеева и А.В.Шинянского. М., изд. «Энергоатомиздат», 1983. С.114-116.

6. Бармин А., Тошлинский А. Преобразователи частоты фирмы Siemens // Современные технологии автоматизации. 2000. 4. С.6-19.

7. Москаленко В.В. Электрический привод. М., изд. ACADEMA, 2004. С.95-149.

8. www.vesper.ru. Преобразователи частоты компании ВЕСПЕР.

9. www.skbis.ru. Преобразователи угловых перемещений производства СКБ ИС.

10. www.skbis.ru. Преобразователи цифровой индикации производства СКБ ИС.

Система управления испытательной центрифугой, содержащая приводной двигатель, вращающий ротор центрифуги, задатчик управляющих воздействий, датчики обратной связи и устройство, формирующее разностный управляющий приводом центрифуги сигнал, отличающаяся тем, что выход преобразователя угловых перемещений, размещенного на валу ротора центрифуги, подключен ко входу интерфейсного устройства, своим выходом соединенного со входом системного блока компьютера, выход которого подключен ко входу цифроаналогового преобразователя, выходом соединенного с управляющим входом частотного преобразователя, регулирующие выходы которого подключены к соответствующим статорным обмоткам асинхронного двигателя, вращающего ротор центрифуги, а системный блок компьютера при этом выполняет операции создания задающего управляющего воздействия, сравнения его с сигналом обратной связи от преобразователя угловых перемещений после соответствующей обработки его интерфейсным устройством и формирования разностного цифрового сигнала.