Структуры и алгоритмы следяще-регулируемого электропривода с заданной динамической точностью

Научно-технический прогресс, автоматизация и комплексная механизация технологических и производственных процессов определяют постоянное совершенствование и развитие современного электропривода. В первую очередь это относится ко всё более широкому внедрению автоматизированных электроприводов с использованием разнообразных полупроводниковых силовых преобразователей и микропроцессорных средств управления.

Мировой экономический кризис еще раз показывает, что, главным образом, необходимо развивать собственную промышленность государства. Для конкурентной способности требуется непрерывное развитие и совершенствование всех механизмов промышленности, в том числе и приводной техники. На сегодняшний день развитие электроники находится на сравнительно высоком уровне. И потому, требуютсяновые алгоритмы управления электротехническими устройствами, которые позволят более эффективно использовать элементную базу, электромагнитные и электромеханические преобразователи энергии.

Исследуя перспективы развития и использования современных электроприводов в России можно прогнозировать значительное увеличение потребности в них, связанное с необходимостью модернизации и создания нового технологического оборудования с улучшенными технико-экономическими показателями. Это неизбежно приведет как к росту потребности, так и к дальнейшему совершенствованию электроприводов, соответствующих уровню начала XXI века [51].

Анализ рынка автоматизированного индустриального электропривода указывает на то, что наибольшим спросом пользуется электропривод малой мощности (доЗ-4кВт) [77], на который приходится около 75% объема продаж. Рост спроса на регулируемый электропривод малого и среднего диапазона тесно связан с улучшением технических характеристик электропривода, расширением диапазона регулирования скорости, повышением быстродействия, улучшением массогабаритных показателей, повышением точностных показателей.

Несмотря на широкое распространение асинхронного общепромышленного электропривода, приводы постоянного тока также укрепляют свои позиции [44]. Здесь, прежде всего, следует отметить существенное расширение диапазона использования приводов с транзисторными преобразователями. В связи с увеличением предельных токов и напряжений силовых транзисторов в ближайшее время следует ожидать и увеличения мощностных характеристик транзисторного электропривода. Приводыс транзисторными широтно-импульсными преобразователями (ШИП) имеют, по сравнению с тиристорны-ми электроприводами, большие преимущества по статическим и динамическим характеристиками, а потому приобретают всё большее распространение. Первоначально они применялись в автономных установках с бортовой сетью постоянного тока, где необходимо было регулировать скорость. Затем системы с ШИП получили применение в прецизионных механизмах металлорежущих станковв, сложных приборных комплексахв оптических установках игт.д., а также позиционных и следящих системах. В настоящее время-они находят широкое4 применение при создании* приводов* с высокими динамическими показателями [44, 16].

Значительную долю разрабатываемых электроприводов’занимают высокоточные (прецизионные) электроприводы. При проектировании высокоточных электроприводов предъявляются жёсткие требования к электрическим машинам, измерительным приборам и алгоритмам управления. Наибольшей помехоустойчивостью обладают импульсные системы [81].

Главной задачей данной работы является разработка и' исследование электропривода, обеспечивающего заданную точность регулирования скорости при параметрических возмущениях и рассмотрение возможности реализации полученных алгоритмов на микропроцессорной системе: Доказано, что наибольшим быстродействием обладают системы с регуляторами релейного действия. А наибольшим астатизмом — системы с импульсно-фазовым управлением [83, 13].

Первоначально импульсно-фазовое управление использовалась в радиотехнике и заключалось в фазовой автоподстройке частоты (ФАПЧ). Хорошие характеристики определили тенденцию применения ФАПЧ в регулируемом электроприводе для стабилизации частоты^ вращения — поддерживания скорости движения рабочих органов промышленных установок с той или иной заданной точностью. В электроприводе такие системы называют следяще-регулируемыми или системами с интегральным управлением-. Режимы работы таких ЭП могут быть самыми разнообразными в зависимости от режимов работы промышленных установок в технологическом процессе. Наиболее характерным является режим длительной работы электроприводов в установках с непрерывным технологическим процессом ?[4].

Исследованию и разработке вопросов теории! построения импульсно-фазового электропривода постоянного токас разрывным характером управляющих воздействий и посвящена настоящая работа.

Она отражает результаты исследований автора, проводимых в НГТУ на протяжении многих лет. Диссертант был участником — многих научно-технических семинаров, проводимых на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» под руководством^профессоров В. В. Панкратова и. В. Н. Аносова. Им и другим участникам' семинара автор выражает признательность за заинтересованное обсуждение основных положений работы. Особую благодарность хочется выразить моему научному руководителю, профессору Г. М. Симакову, а-также руководителю. научно исследовательской части кафедры ЭАПУ, начальнику лаборатории* «Электромеханические испытательные стенды» A.M. Бородину и научному консультанту, д-ру техн. наук, профессору В. В. Панкратову, чьи полезные замечания и советы определили конечный облик настоящей работы.

Актуальность проблемы. Область применения электроприводов с каждым годом расширяется благодаря развитию новых технологических процессов и производств, робототехники, голографии, видеотехники, где требуется увеличение как статической, так и динамической точности и расширение диапазона регулирования скорости электропривода. Нельзя не согласиться с [77], что в настоящее время заметно изменились приоритеты развития электропривода в пользу улучшения его потребительских свойств, введения >и усовершенствования сервисных функций и элементов интеллекта: адаптации, расширенного контроля, диагностики и защиты, индикации и визуализации.

Развитие элементной базы и микропроцессорных устройств способствует разработке новых электроприводов, с улучшенными характеристиками. Однако прогресс в решении основных задач регулирования, таких как повышение быстродействия, точности, диапазона регулирования и др. нельзя признать значительным [44, 60].

Стремительное совершенствование технологии производства интегральных полупроводниковых компонентов, обеспечившее возможность создания высокоэкономичных средств программирования оказывают всё более существенное влияние не только на развитие техники измерений и управления, но и на подход к автоматизации вообще [83].

Развитие современного электропривода направленно на повышение точности отработки механических координат и на эффективное энергосбережение. Причинами снижения точности регулирования являются: нестабильность параметров электромеханического преобразователя энергии, накапливаемая ошибка регуляторов и погрешность датчиков координат состояния, динамические изменения момента сопротивленияизменения напряжения сети, параметрические возмущения в электродвигателях, полупроводниковых преобразователях и кинематических передачахпогрешности измерения текущих значений скоростипомехи в каналах управления для компенсации влияния которых, необходимо искать пути использования современных методов синтеза. Если один из перечисленных факторов оказывается наиболее значительным по сравнению с другими, то точность может быть оценена с учётом только этого фактора. В противном случае необходимо производить оценку точности с учётом всех основных факторов, приводящих к нестабильности системы управления.

Точность стабилизации определяется по отклонению скорости Дсосх в установившемся режиме после завершения переходного процесса при изменении статического момента или напряжения сети [4]. Отношение Дсост к заданной со3 определяет показатель статической точности стабилизации скорости. В-аналоговых системах, управления электроприводами в качестве регуляторов преимущественно используются операционные усилители с большим коэффициентом усиления. При использовании интегрального регулятора скорости не представляет большой сложности, если не принимать во внимание дрейф нуля, смещение входного сигнала, получать сколь угодно малые статические ошибки.

Аналогичная* ситуация имеет место и в цифровых системах управления. Отсюда следует, что более важным показателем точности является динамический показатель, связанный с оценкой мгновенных отклонений скорости в любой момент времени.

В' зависимости от требований' к точности, системы электропривода выполняются с различными информационными и управляющими устройствами. Применяются аналоговые, аналого-цифровые и цифровые системы электроприводовв которых различным образом осуществляется ввод задания, измерение скорости и формирование управляющих алгоритмов. Имеется различие и в силовой части электроприводов — в выборе полупроводникового преобразователя, кинематической передачи.

Для точных и высокоточных систем целесообразно выполнять электроприводы безредукторными, для уменьшения люфтов. Преобразователь целесообразно выбирать на основе широтно-импульсного модулятора, причём использовать высокочастотную коммутацию ключей для уменьшения амплитуды тока (момента).

При изменении скорости в широком диапазоне могут существенно изменяться динамические характеристики возмущающих воздействий и погрешности информационных устройств. В этих условиях необходимо искать пути перенастройки структуры информационной и управляющей частей системы [4].

Точность регулирования скорости напрямую зависит от способов задания, измерения скорости и формирования сигнала об отклонении скорости от заданного значения. Минимальная погрешность лучших образцов аналоговых систем обработки информации о скорости электроприводов находится на уровне 0,1%. Большой точностью обладают цифровые и цифроаналоговые электроприводы. Наибольшая точность присуща импульсным системам, что в первую очередь объясняется высокой помехоустойчивостью.

Развитие высокоточных систем регулирования скорости берет свое начало в первой половине XX века. Важным шагом в достижении точности отработки задающего воздействия был переход к сравнению частотных сигналов по их фазовому рассогласованию. Достоинство заключалось в ликвидации всех составляющих установившейся погрешности.

В первых разработках таких систем использовались фазовые дискриминаторы, на входы которых поступали синусоидальные сигналы. В связи с возникшими трудностями разработчики перешли к развитию"двухканальных систем, в которых точная стабилизация средней скорости достигалась с помощью астатического канала, а требуемая динамика обеспечивалась аналоговым каналом, вводившим в закон регулирования пропорциональную и дифференциальную составляющие [83, 86].

Сравнительно позже был произведён переход к цифровым системам, который обеспечил возможность внедрения сложных алгоритмов управления без дополнительных капитальных вложений.

В качестве исполнительного электромеханического преобразователя энергии в подобных системах, в зависимости от требований могут использоваться различные виды двигателей: синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока (ДНІ). ДПТ в зоне малых мощностей имеют определённые преимущества. В [48] приведено сравнение ДПТ с двухфазными и трёхфазными асинхронными двигателями (АД). Сравнение проводилось по трём показателям: величине приёмистости (отношение квадрата момента двигателя к моменту инерции) массогабаритным и энергетическим характеристикам. Откуда видно, что ДПТ по сравнению с двухфазными АД имеют по всем показателям лучшие характеристики, а по сравнению с трёхфазными АД имеют большую приёмистость и примерно равные массогабаритные и энергетические оценки.

В [15] отмечено, что регулируемый электропривод постоянного тока сохраняет ряд достоинств по сравнению с регулируемых электроприводом* переменного тока: широкий диапазон регулирования частоты вращения, меньшие потерипри равной: мощности-, меньшая^занимаемая-площадь и т. д. Срок службы щёточно-коллёкторного узла доходит доГ 15 000? часов и близок к сроку службы подшипниковПрогресс: в области двигателей постоянного тока происходит за счёт оптимизации магнитного поля,. совершенствованиям системы*. охлаждения^ перехода' на новые изоляционные материалы, улучшения технологических" процессовОсобое значение имеет совершенствование щёточного аппарата и коллектора^ который по надёжности приближается к бесконтактным устройствам.

В [38, 42, 81, 89] представлен широкий диапазон конструктивного исполнения двигателей постоянноготока: пазовые и беспазовые электрические машины, двигатели дисковые, с. печатной обмоткой на якоре, двигатели с постоянными магнитами и двигатели традиционной конструкции с независимой обмоткой возбуждения. У каждого типа есть свои достоинства и недостатки. Так ДПТ с полым и с печатным якорем имеют малые электромагнитные и электромеханические постоянные времени [37, 38], двигатели с постоянными магнитами имеют хорошие энергетические показатели [42, 35], двигателис независимой обмоткой возбуждения хорошие массогабаритные. характеристики [50- 54].

Наиболее перспективным, из-за повышенных требований к быстродействию, является применение транзисторных преобразователей для питания электрической машины (система ШИП-Д) [59, 16, 26, 25] и создание на их базе релейных систем, работающих в реальном скользящем режиме [38, 40, 62, 90]. Более высокое быстродействие системы ШИП-Д (по сравнению с тиристорным электроприводом) даёт возможность увеличить добротность позиционного электропривода и достигнуть при этом высоких скоростей при. заданной точности. В приводах с ШИП-Д удается повысить быстродействие под нагрузкой на самых низких скоростях перемещений. Это свойство позволяет увеличить точность регулирования, вследствие чего ШИП-Д используется в механизмах подач станков с. числовым программным управлением и в роботах со сложными законами управления. Высокое быстродействие системы ШИП-Д при-отработке возмущающих воздействий позволяет получить высокую? равномерность перемещений. Благодаря этому свойству такие системы успешно применяются в ко-ординатно-измерительных машинах, установках для лазерной обработки и контроля микросхем, в которых требуется высокая равномерность и плавность регулированиям низкими скоростями:

Транзисторный преобразователь в системе ШИП-Д работает в ключевом режиме: По этой причине напряжение на обмотках двигателя имеет разрывной: характер. По классификации,. приведенной в [11,12], система автоматического управления с таким преобразователем относится к виду систем с прямым разрывным управлением. Собственно транзисторный преобразователь в этом случае, при определенных допущениях, имеет математическую модель в виде релейного элемента. Таким образом, рассматриваемый электропривод является существенно нелинейношсистемой автоматического управления.

Релейные системы, как наиболее простые, начали широко применяться с первых шагов развития автоматики. Их исследованию и разработке посвящены сотни статей и монографий. Теорияоптимального управления доказала, что предельное быстродействие может быть достигнуто только в системе с релейным элементом: Благодаря очевидным достоинствам релейные системы всегда привлекали внимание специалистов поэлектроприводу. Интерес к ним вырос в последние годы, когда наладился выпуск мощных транзисторов. Несмотря на кажущуюся простоту и доступность релейной конструкции существуют серьезные причины, препятствующие распространению данных систем электропривода. Эти причины связаны в первую очередь с наличием пульсаций тока, скорости и момента электропривода, низкими точностными характеристиками систем с разрывным управлением, неконтролируемой частотой переключений релейного элемента, увеличением потерь в ЭП, отсутствием практических методик по выбору параметров регуляторов и построению релейных систем электропривода. Глубокие теоретические исследования релейных систем с позиций теории автоматического управления- [52, 61, 92], исследование идеальных скользящих режимов [96], найденные оптимальные по быстродействию алгоритмы управления не заканчиваются направленными на практическую реализацию методами построениясистем электропривода с разрывным характером питающих напряжений.

Врядеслучаев при построении систем электропривода с разрывным управлением' используются методы синтеза, основанные на линейной теории автоматического управления, к которым можно отнести методику синтеза, основанную на идеологии систем подчиненного регулирования [4, 43, 73, 94]. Данная методика основана на «свертке» внутреннего контура регулирования при переходе к синтезу внешнего контура. В транзисторном электроприводе это приводит по сути к замене реальной характеристики релейного элемента на линейную характеристику с конечным коэффициентом усиления.

Синтез САУ должен быть направлен на обеспечение предельного (с учетом ограничения" координат) быстродействия и заранее заданной точности регулирования скорости рабочего органа. Внастоящее время каждая из этих задач в основном решена и исследована глубоко [8, 9, 10, 94]. Так известны способы управления машиной постоянного тока, обеспечивающие оптимальное быстродействие при постоянном магнитном потоке двигателя, и способы повышения точности рабочего органа.

В настоящей работе предлагается следующая-концепция построения прецизионного электропривода регулирования скорости. Она подразумевает введение обратной связи не по скорости, а по положению [83], в сочетании с современными методами синтеза регуляторов. Обратная связь по положению реализуется с помощью импульсного датчика, генерирующего п импульсов на один оборот рабочего вала, с частотой, пропорциональной частоте вращения вала. К отмеченным методам относятся: метод старшей производной [7, 21], метод локализации [20, 23], метод разделения движений [22, 24] и др., применительно к автоматизированному электроприводу. Данная концепция позволяет объединить противоречивые требования по высокой динамике и высокой точности в системах регулирования скорости. Подробнее о данной концепции будет сказано в главе I.

Результаты данной работы могут быть использованы в области машино-и самолётостроении, различных транспортных средствах: автомашин, поездов, самолётов, морских и речных судов, орбитальных космических станции, ракет и.т.п.

Сочетание всех перечисленных условий<�И'требований создаёт специфику построения прецизионных систем на основе электропривода с импульсным датчиком обратной связи и требует разработки теоретических основ его построения.

В настоящее время, уровень развития микропроцессорной техники предоставляет широкие возможности для реализации цифровых систем управления. Достоинствами программных средств управления являются возможности реализации гибких алгоритмов управления и выполнения ЭП с повышенной надёжностью. Построение ИФЭП на основе микропроцессорной системы требует разработки подпрограмм: квазианалогового алгоритма сравнения импульсных сигналов, алгоритма определения направления вращения рабочего вала механизма и др. При синтезе релейного контура регулирования тока актуальным является вопрос учёта влияния поперечной реакции якоря и вихревых токов электрической машины.

Назовём ЭП, обладающий высокими точностными характеристиками как в статическом так и в динамическом режимах работы, построенный по принципу импульсно-фазового управления, следяще-регулируемым электроприводом (СРЭП).

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в улучшении динамических характеристик астатических электроприводов, путём использования прогрессивных методов синтеза. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1) выполнить синтез структур СРЭП, обеспечивающих достижение желаемого качества динамических характеристик;

2) создать математическую модель и общую структуру высокоточного следяще-регулируемого электропривода с разрывным характером управлений, осуществить синтез корректирующих звеньев СРЭП для различных режимов работы электропривода и построить функционально полный регулятор скорости, представляющий собой закон управления, который обеспечивает заданные характеристики движения как в «малом», так и в «большом»;

3) оценить влияния вихревых токов^и поперечной реакции якоря в релейном контуре регулирования тока;

4) осуществить проверку расчётных свойств синтезированной системы моделированием на электронной вычислительной машине и экспериментально.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории автоматического управления, теорий дискретных и нелинейных систем с разрывным управлением, теории дифференциальных уравнений, методы математического моделирования! и натурного эксперимента.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) синтез структур СРЭП, гарантирующий заданную динамическую точность;

2) алгоритмы управления СРЭП, функционально полный регулятор скорости и квазианалоговое устройство сравнения;

3) анализ и исследование релейного контура регулирования тока с оценкой влияния вихревых токов и поперечной реакции якоря.

Научная значимость и новизна работы. В диссертационной работе развиты вопросы построения следяще-регулируемого электропривода с заданными динамическими характеристиками, что позволяет, определять алгоритмы управления-быстродействующим ЭП, разрабатывать методики улучшения его точностных. показателей и в конечном итоге создавать электропривод с улучшенными технико-экономическими показателями.

Научная новизна состоит в следующем:

1) предложены варианты построения СРЭП с заданной динамической точностью, которые основаны, на современных методах, обеспечивающих малую чувствительность к изменению параметрови нелинейностям: элементов объекта управлениячто позволило: обеспечить, определённые динамические характеристики электроприводу, который, в, свою очередь, обладает абсолютно жёсткой механической характеристикой- 2) проведено исследование релейного’контура регулирования тока, с учётом влияния: вихревых токов и поперечной реакции якоря.

Практическая ценность работы заключается:

1) предложены инженерные методики расчёта регуляторов. ЭП с малой чувствительностью к изменению параметров;

2) разработан опытный образец следяще-регулируемого электропривода, который может быть прототипом серийных систем;

3) внедрена предложенная-методика синтеза при разработке стендаиспытания генераторов в ОАО «Новосибирск^^.

Апробациярезультатов— Основные положения ' диссертациидокладывались и обсуждались на: НЕ международной^ научно-технической конференции (Омск, — 2007 г.). IIIC Научно-технической конференции с: международным участием «Электротехника, электромеханика — ш электротехнологии ЭЭЭ-2007» (Новосибирск, 2007 г.). IV и V международной конференции (15 и 16 Всероссийской) по автоматизированному электроприводу (Магнитогорск, 2004 г. и СанктПетербург, 2007 г.), VIIi и VIIIмеждународной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Ново. • 17 сибирск, 2004 и 2006 гг.), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2005 и 2007 гг.), Международной научно-практической конференции (Респ. Алтай, Чемал. р-н, база НГТУ Эрлагол, 2009 г., Барнаул, 2011 г.- Международной научно-практической конференции (Респ. Алтай, Чемал. р-н, база НГТУ Эрлагол, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 3 статьи — в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ, 2 статьи — в сборнике научных трудов, 10 — в материалах научных конференций.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список использованных источников из 104 наименований и приложения. Общий объем составляет 188 страниц печатного текста и содержит 106 рисунков и 8 таблиц.

Выводы по главе 4.

1. Разработана и создана на базе типовых вариантов аппаратных средств современной, преобразовательной техники, экспериментальная установка, позволяющая осуществить исследование статических и динамических режимов работы СРЭП.

2. С помощью экспериментальной установки подтвердили, что разработанный алгоритм управления и синтезированная модифицированным модальным методом система являются работоспособным, а необходимый корректор статики реализуется алгоритмом логического устройства сравнения СРЭП.

3. Предложенная инженерная методика синтеза СРЭПметодом большого коэффициента внедрена на ОАО «Новосибирский авиаремонтный завод» в стенде испытания генераторов, что подтверждается актами внедрения и использования результатов диссертации. Проведённые экспериментальные работы на стенде испытания генераторов подтвердили эффективность предложенной методики синтеза. Данная методикам обеспечивает высокую «динамическую точность по* управляющему ивозмущающему, воздействиям^ при различных значениях параметров объекта управления» (момент инерции' генератора л п.

ГТ120ПЧ6 составляет 0,45 кг-м, ГТ40ПЧ8 0,12 кг-м) и исполнительного механизма (изменение активного сопротивления двигателя при изменении температуры: 0,087 Ом при температуре 20°С- 0,103 Ом при температуре 75°С). При этом обеспечивается 100% статическая точность.

4. Определены особенности технической реализации СРЭП, в связи с чем: >

— разработан: а) программный алгоритм определения направления вращенияб) алгоритм логического устройства сравнения;

— предложена структура обратной связи с переменным коэффициентом деления, что способствует расширению диапазона регулирования скорости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены теоретические и практические результаты работы, направленной на решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение — развитие теории и практическая реализация следяще-регулируемош электропривода с микропроцессорным управлением, обеспечивающая улучшение динамических характеристик. В ходе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1) выполнен синтез структур СРЭП, обеспечивающих достижение желаемого качества динамических характеристик;

2) создана математическая модель и общая структура высокоточного следяще-регулируемого электропривода с разрывным характером управлений, выполнен синтез корректирующих звеньев СРЭП для различных режимов работы электропривода и построен функционально полный регулятор скорости, представляющий собой закон управления, который обеспечивает заданные характеристики движения как в «малом», так и в «большом»;

3) оценены влияния вихревых токов и поперечной реакции якоря в релейном контуре регулирования токадоказано, что поперечная реакция якоря электродвигателя приводит к уменьшению, частоты автоколебаний в релейном контуре регулирования тока, а вихревые токи вызывают обратный эффект.

4) работоспособность предложенных алгоритмов управления подтверждена, математическим моделированием и экспериментально. Один из выносимых на защиту алгоритмов управления получил реализацию в следяще-регулируемом электроприводе стенда' испытания генераторов, эксплуатируемом ОАО «Новосибирский Авиаремонтный завод».