автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Микропроцессорная система управления тиристорным электроприводом с автоматической настройкой и изменяемым интервалом дискретности

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

а У РГВ 0Л

' ' 7 Старостин Сергей Станиславович

УДК 62-83:681.51

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКОЙ И ИЗМЕНЯЕМЫМ ИНТЕРВАЛОМ ДИСКРЕТНОСТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк - 2000

Дисертащею с рукопис

Роботу виконано в Донецькому державному техшчному ушверситет1 Министерства осв!ти 1 науки УкраУни.

Науковий кер1вник:

доктор техшчних наук, професор Коцегуб Павло Харитонович, Донецький державний техшчний ушверситет, завщувач кафедри електропривода та автоматизащУпромислових установок

Офщ1Йн1 опоненти:

Доктор техшчних наук, професор Аюмов Леошд Володимирович, Харыавський державний поЛ1Техшчний университет, професор кафедри автоматизованих електромехажчних систем

Кандидат техшчних наук, доцент Пересада Серпй Михайлович, Нацюнальний техшчний ушверситет "КГО", доцент кафедри електропривода та автоматизащУ промислових установок

Провщна установа:

Одеський державний полхтехничний ушверситет,

кафедра eлeктpoмexaнiчниx систем з комп'ютерним керуванням,

Мппстерство осв1ТИ 1 науки Украши, м.Одеса

Захист вщбудегься " " 2000р. о годит

на засщанш спещал^зованоУ вченоУ ради К11.052.02 у Донецькому державному техшчному университет! (83000, м.Донецьк, вул.Артема, 58,

1-й корпус ДонДГУ, к.201).

3 дисертацкю можна ознайомитись у б1блютещ Донецького державного техшчного ушверситету (83000, м.Донецьк, вул.Артема, 58,

2-й корпус ДонДТУ).

Автореферат роз!сланий /¿¿'•^¿Р^ 2000р.

Вчений секретар спец1ал13ованоУ вченоУ ради кандидат техичних наук, доцент

I ,#.<?/ П Ц ~ ПИ.! - Д-Г. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТИ

Актуальность темы. Системы электропривода с тиристорными выпрямителями занимают ведущее место в обеспечении функционирования технологического оборудования во многих отраслях промышленности: это - системы тиристорного электропривода постоянного тока, которые используются в технологических процессах, требующих высококачественного регулирования скорости электропривода в широком диапазоне, и системы тиристорного электропривода переменного тока с тиристорными преобразователями частоты на базе инверторов тока или с непосредственной связью, которые все шире применяются в технологических агрегатах большой мощности с регулированием скорости вращения.

Задача управления тиристорным электроприводом сегодня решается преимущественно с помощью микропроцессорных контроллеров. Но выполненный в работе анализ показывает, что существующие решения по реализации регулирования и автоматической настройки не отвечают в полной мере особенностям и возможностям микропроцессорных систем управления. Это подтверждает актуальность поиска новых решений в этой области, чему и посвящена данная диссертационная работа. В диссертации рассмотрены вопросы регулирования и автоматической настройки для тиристорного электропривода с двигателями постоянного тока независимого возбуждения. Но найденные решения могут быть применены для отмеченных выше типов электроприводов переменного тока с векторным управлением после соответствующей модификации.

Связь темы диссертации с планами работ университета. Разработки выполнялись по планам Донецкого государственного технического университета в рамках научного направления "Разработка микропроцессорных систем управления электроприводами с автоматической настройкой" в соответствии с комплексной программой "Научные основы электроэнергетики" (раздел 1.9 "Физико-технические проблемы энергетики", подраздел 1.9.2.5.2.3.3 "Разработка теории синтеза и оптимизации микропроцессорных систем автоматического управления вентильными электроприводами постоянного и переменного тока с улучшенными динамическими и статическими характеристиками"), утвержденной на 1991-1995 годы Бюро отделения физико-технических проблем энергетики HAH Украины.

Цель работы - теоретическое обоснование и реализация микропроцессор-нон системы управления тиристорным электроприводом с автоматической настройкой и изменяемым интервалом дискретности регулирования, отличающейся улучшенными функциональными свойствами.

Задачи, требующие решения для достижения поставленной цели: . - обоснование целесообразности изменения интервала дискретности регулирования для стабилизации динамических свойств объектов в контурах

регулирования тока и скорости тиристорного электропривода;

- синтез цифрового регулятора силового тока тиристорного выпрямителя, обеспечивающего максимально возможное быстродействие регулирования;

- синтез системы цифрового регулирования скорости с идентификацией и компенсацией нагрузки электропривода, отличающейся повышенным быстродействием при реагировании на изменения как нагрузки, так и задающего воздействия;

- создание компьютерных математических моделей тиристорного электропривода с цифровым управлением для исследования систем регулирования;

- обоснование принципов автоматической настройки системы регулирования, обеспечивающих настройку как регулятора скорости, так и регулятора тока электропривода в условиях вращения двигателя;

■ ■ — разработка методики компьютерной оптимизации систем регулирования;

-проведение исследований разработанной системы регулирования путем математического моделирования;

- создание экспериментальной установки тиристорного электропривода с микропроцессорным управлением для подтверждения достоверности результатов, полученных путем математического моделирования.

Объектом исследования являются процессы цифрового регулирования и автоматической настройки в системах подчиненного регулирования тиристорного электропривода.

Предметом исследования является улучшение функциональных свойств микропроцессорной системы управления на основе новых принципов регулирования и автоматической настройки системы.

Методы исследования базировались на теории тиристорных выпрямителей, теории дискретных систем автоматического регулирования, математическом компьютерном моделировании, использовании экспериментальной установки тиристорного электропривода с микропроцессорным управлением.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- впервые разработан принцип .целенаправленного изменения интервала дискретности регулирования среднего значения* силового тока тиристорного выпрямителя для обеспечения стабилизации динамических свойств объектов в контурах регулирования тока и скорости электропривода;

- впервые синтезированы законы регулирования силового тока тиристорного выпрямителя при изменяемом интервале дискретности регулирования и установлены зависимости, характеризующие необходимые корректирующие воздействия при регулировании тока с максимально возможным быстродействием;

- на основе полученной уточненной передаточной функции объекта регулирования в контуре скорости реализована идентификация и компенсация

нагрузки привода в процессе регулирования при измерении среднего значения скорости электропривода;

- впервые обоснована возможность определения величины электромагнитной постоянной времени силовой цепи электропривода на основе длительности протекания тока в режиме прерывистого тока с целью использования этой информации при автоматической настройке регулятора тока и контура идентификации нагрузки привода.

Практическое значение полученных результатов состоит в следующем:

- созданы математические модели, отражающие тиристорный выпрямитель как дискретное нелинейное звено и специфику дискретных систем регулирования, что позволяет проводить исследования цифровых систем регулирования тиристорного электропривода. Адекватность разработанных моделей реальному тиристорному электроприводу подтверждена при проведении исследований на экспериментальной установке;

- разработана методика решения оптимизационных задач на основе компьютерного пакета МаЛСАО, которая может быть использована в процессе оптимизации как дискретных, так и непрерывных систем регулирования;

- разработаны алгоритмы функционирования микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом, которые могут быть использованы при реализации управления промышленными электроприводами;

- создана экспериментальная установка тиристорного электропривода с микропроцессорным управлением.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре "Системы программного управления" Донецкого технического университета для студентов специальности 7.0922.03 "Электромеханические системы автоматизации и электропривод".

Разработанные атгоритмы функционирования микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом наряду с математическими моделями и методикой оптимизации приняты к применению Отделом систем программного управления ЗАО "Новокраматорский машиностроительный завод" (г.Краматорск) с ориентацией на проектирование тиристорных электроприводов большой мощности специального исполнения.

Математические модели тиристорного электропривода с цифровым управлением и методика компьютерной оптимизации систем регулирования переданы в Инженерно-технический центр "Сименс Украина" (г.Донецк) с целью применения при проектировании промышленных систем электропривода и автоматизации.

Использование результатов диссертации подтверждено соответствующими документами.

Личный вклад соискателя. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены самостоятельно. Публикации по материалам диссертации выполнены без соавторов.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы были представлены на пяти научно-технических конференциях с международным участием "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" в 1994, 1995, 1996, 1997 и 1-998 годах.

Публикации. Содержание диссертации отражено в 9 научных публикациях, из них 5 - в ведуших научно-технических сборниках, утвержденных ВАК Украины, а 4 - в сборниках научных трудов конференций с международным участием.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, имеет общий объем 193 страницы, иллюстрирована 106 рисунками и 10 таблицами, при этом 32 рисунка и 2 таблицы расположены на 26 отдельных страницах, имеет список использованных источников из 67 наименований на 7 страницах и пять приложений на 23 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и дана приведенная выше характеристика работы, аннотировано содержание разделов, отмечено, что все результаты исследований, приведенные в разделах 1 - 4, получены с помощью моделирующего компьютерного пакета Б588 на основе разработанной математической модели тиристорного электропривода с цифровым управлением, воспроизводящей специфику тиристорного выпрямителя как нелинейного дискретного звена.

В первом разделе проведен анализ существующих решений в области цифрового регулирования для систем тиристорного электропривода на базе микропроцессорных контроллеров. Такие вопросы рассматривались во многих публикациях как зарубежных, так и отечественных авторов. В Украине большой вклад в развитие этой области техники внесли Перельмутер В.М., Радимов С.Н., Файнштейн В.Г., Файнштейн Э.Г. и ряд других исследователей.

В результате анализа определена общность систем регулирования тиристорного электропривода постоянногоги переменного тока, строящихся на основе тиристорных выпрямителей. Сделан вывод о целесообразности ориентации на асинхронный принцип управления тиристорными выпрямителями, при ' котором на процесс регулирования не влияют погрешности синхронизации с питающей сетью, присущие синхронному принципу управления.

С точки зрения регулирования силового тока тиристорного выпрямителя обоснована необходимость регулирования среднего значения тока. Такой подход соответствует тому, что приращение скорости электропривода

пропорционально интегралу тока, и, кроме того, характеризуется улучшенной помехоустойчивостью канала обратной связи по току. На основе анализа имеющихся решений сформулирована задача разработки нового принципа быстродействующего цифрового регулирования тока силовой цепи тиристор-ного электропривода.

Рассмотрение вопросов регулирования скорости определило направление дальнейших исследований в области идентификации и компенсации нагрузки электропривода для систем с измерением как мгновенного, так и среднего значения скорости. Анализ немногочисленных разработок по автоматической настройке систем управления тиристорными электроприводами показал необходимость поиска новых решений и в этой области. Это касается в первую очередь автоматической настройки контура регулирования тока в условиях вращения двигателя.

Во второй разделе изложены результаты решения задачи цифрового регулирования силового тока тиристорного электропривода с максимально возможным быстродействием на основе нового принципа регулирования с изменением интервала дискретности измерения среднего значения тока I.

Предпосылкой к необходимости целенаправленного изменения интервала дискретности измерения и, соответственно, регулирования тока служит рассмотрение контура регулирования тока (рис.1) для режима непрерывного тока, передаточная функция (ПФ) объекта регулирования которого получена на основе импульсной модели тиристорного выпрямителя - приближенном представлении выпрямителя в виде идеального импульсного элемента со звеном задержки, отражающим момент открывания тиристоров относительно момента измерения тока.

Рис. 1. Структурная схема контура регулирования тока.

Коэффициенты ПФ (рис. 1) определяются выражениями

с,=1-с1*; с2 =<)|-с1е; ■ х=1-тта/2т1 = 1-та. , (1)

где (1е =ехр(-Т1/Те) - параметр, характеризующий электромагнитную

постоянную времени силовой цепи Те по отношению к интервалу дискретности Т, регулирования среднего значения тока;

та - задержка открывания тиристоров относительно момента измерения среднего значения тока; ш - фазность тиристорного выпрямителя.

Регулятор среднего значения тока (рис.1), синтезированный из условия получения процесса регулирования конечной длительности с максимальным быстродействием, имеет коэффициенты

к» —— - , к^ = . к^ = ~ ^ . (2) к{к^(1-с1е) - кг к^(1-с1е) 1-ае

При этом передаточная функция замкнутого контура тока равна

1(2) 1 Г1-й£ . <Ц-<1С 1

При TI = 27t/mco>) = const (coN- угловая частота питающей сети) относительная задержка включения тиристоров ха. изменяется от 0 до 1. При этом коэффициент к3 регулятора тока должен соответственно варьироваться от 0 до 1 для обеспечения оптимального процесса регулирования тока. Но это не устраняет зависимость динамических свойств контура тока от величины задержки включения тиристоров: его передаточная функция изменяется от Ki(z) = kf'z_1 при та = 0 до K,(z) = kj"1 z~2 при та = 2л/т, что отрицательно

сказывается на реализации регулирования скорости электропривода.

При та = const и, соответственно, % = const при линеаризованном представлении контура регулирования тока (рис.1) параметры объекта регулирования, регулятора тока и всего контура тока будут постоянными.

В реальном тиристорном электроприводе условие та = const невозможно обеспечить в динамике, однако если исходить из предпосылки обеспечения одинаковой величины та в установившемся режиме при любом уровне тока, то это, как показывают проведенные исследования, практически обеспечит стабилизацию динамических параметров контура регулирования тока. Такая предпосылка реализуется путем целенаправленного изменения длительности интервала дискретности в процессе регулирования тока.

При этом в режиме непрерывного тока при задании на ток больше ijf -

цифрового значения тока в граничном режиме, регулирование осуществляется путем приращения угла управления Да, вычисляемого на основе разностных уравнений, приведенных в табл.1. При исследовании процессов изменения тока с помощью компьютерного пакета MathCAD установлено, что для обеспечения максимально возможного быстродействия регулирования тока коэффициент k3V и составляющая дополнительной нелинейной коррекции Aaz должны изменяться в функции задания на ток. Определено, что существенного ухудшения

качества регулирования тока не происходит при Да2 = 0 и при вычислении требуемого значения коэффициента кзх/ по линейной зависимости в функции задания на ток.

В режиме прерывистого тока синтез регулятора выполняется на основе передаточной функции

™0"(2)=к£[п].(сг2-Чс2-2-2), (4)

полученной также с учетом импульсной модели тиристорного выпрямителя.

Таблица 1 - Разностные уравнения регулирования тока

Режим непрерывного тока 13[п]>1г Режим прерывистого тока т# <т# 13[п]ь1г

Приращения угла управления

иа[п-1] - иа[п] -= -М^п] + к2Д 1 [п-1] - кзуА«Я[п-1] Дак[п] = иа[п-1]~ис.[п] = = (^[п] к0 +1) (к!-к2)д 1|п] -к3 Д«К[п_,|

е[п] ~ е[п-Ц~^е(Лак[п] + ^аг[п}) ' Да[п]=агссоз(Е|п])-а[п_,] Аа[п] =АаЛ[п] +'с1с[п]-'[к[п-1] + + ^[„]кГ1-(1з[п]-1з[п-ч)

Длительность интервала дискретности измерения (регулирования) тока

2Л А

Изменения длительности интервала дискретности

Коэффициент к£[п] в ПФ (4) определяется уравнением к£[п]=——---. При

1 — с!е

этом статический коэффициент передачи объекта (см. уравнение (4) при 2=1) соответствует коэффициенту наклона одного из отрезков, аппроксимирующих регулировочную характеристику тиристорного выпрямителя при нулевой противоЭДС двигателя (рис.2).

В результате синтеза регулятора на основе ПФ (4) из условий процесса регулирования конечной длительности с максимально возможным быстродействием в режиме прерывистого тока получаем систему разностных уравнений, приведенных в табл.]. Обосновано, что коэффициент к3 может быть равен

0,5. А корректирующие величины тк следует определять с учетом кусочно-линейной аппроксимации регулировочной характеристики (рис.2) по уравнению

тк[п] s Atxn(j) ~ (!з[п] > (5)

Aan(i-1) ~ Дап(»

где Aan(j), In(j)< £(j) = ----параметры, характеризующие

In(j) - Ïnij-I)

кусочно-линейную аппроксимацию регулировочной характеристики. *

В диссертации обоснованы математические зависимости, характеризующие необходимые изменения длительности интервала дискретности с целью стабилизации динамических свойств контура регулирования тока (см. табл. 1).

Реализация регулирования тока в соответствии с разностными уравнениями, приведенными в табл.1, обеспечивает процессы регулирования практически с максимально возможным быстродействием независимо от режима протекания тока.

В третьем разделе даны результаты разработок систем регулирования скорости с идентификацией и компенсацией нагрузки электропривода при обратной связи как по мгновенному, так и по среднему значению скорости. Осуществлено сравнение разработанных систем с системой регулирования скорости электропривода на базе интегрально-пропорционального регулятора.

Система (рис.3) содержит контур регулирования скорости с пропорциональным регулятором (П-РС) и подчиненный контур регулирования тока (КРТ) с одинаковыми интервалами дискретности Тм = Т, и дополнена контуром идентификации нагрузки. Идентификация осуществляется на основе модели объекта регулирования - звена, характеризующего связь силового тока (момента) и

скорости электропривода. Это звено с учетом измеренного среднего значения тока определяет переменную , которая сравнивается с измеренной скоростью са#, и в функции этой разности корректирующее звено Wc(z) формирует переменную 1#с(г), отражающую нагрузку привода. Добавление к сигналу

задания на ток 13 обеспечивает компенсацию нагрузки.

1сОО

(2) ГП г 71 !',<*) г^-п !<*) Г

ад "

а

*— * — - —I - — - —|

Т __ I

Коррекция скорости

1 - X

¿гг-^ОО.

0)

Т7-

^с (2) А&#(г) 1 :.

1 — г

ю

-О

'(г)

Идентификация нагрузки

Рис.3. Структурная схема системы регулирования скорости электропривода. Вид обратной связи по скорости учитывает ПФ \Уп(г) равная:

а) при измерении мгновенного значения скорости =' >

сч 1]г / \ + W| + ЪГг 7.

б) при измерении среднего значения \Уп (г] = —- -----—

1 + У, 2

(6) (7)

где

_---уу ] —--- ,

1 — «а*

ие

= Те* т

т

— е

Уточненная ПФ (7), характеризущая связь среднего и мгновенного значений скорости с учетом задержки открывания тиристоров относительно начала интервала дискретности, получена на основе импульсной модели тиристорного выпрямителя. На основе этой ПФ реализован улучшенный процесс идентификации нагрузки привода при измерении среднего значения скорости.

Синтез звена (рис.3) осуществлен путем оптимизации ПФ,

характеризующей зависимость переменной 1с(г) от (г) при I (г) = 0, из

условий процесса конечной длительности с максимальным быстродействием, в результате чего получено для измерения:

Динамические свойства разработанной системы с идентификацией и компенсацией нагрузки (рис.3) сравнивались со свойствами системы регулирования скорости с интегрально-пропорциональным регулятором скорости. В системах может иметь место запаздывание при формировании задания на ток 1"з на один интервал дискретности по отношению к выходу регулятора скорости, что отражено на рис.3 звеном с ПФ г показанного пунктирной линией. В этом случае в систему включается корректирующее звено \Ук(г), за счет которого имеет место эффект вынесения запаздывания за пределы замкнутого контура регулирования скорости, в результате чего не требуется учета этого запаздывания при оптимизации регулятора скорости. Регулятор скорости оптимизировался по модульному оптимуму. При этом использовалась разработанная методика компьютерной оптимизации с помощью пакета МаЛСАЭ, позволяющего производить математические преобразования в символьном виде.

Сравнение динамических характеристик осуществлялось относительно задающего воздействия и нагрузки (табл.2) на основе соотношения показателей качества: перерегулирования сгг/0!' времени первого согласования 1с2Дс! , динамического падения скорости Лад»2 /Лйд«| и интеграла от абсолютного значения ошибки по скорости ЦДм2^/{¡Лсо^ск. В результате сравнения вариантов систем получены следующие данные: Ст2/о\=0,67...1,38; ^/^И.б ...3,27; Дс0д*2/Лс0д»1=1,1...2,73; '[¡Асо2|с11//|До),|с11= 1,43...4,38, из чего следует, что

система с идентификацией и компенсацией нагрузки имеет динамические свойства лучше, чем система с интегрально-пропорциональным регулятором при реагировании как на задающее воздействие, так и на изменения нагрузки.

б) среднего значения скорости

а) мгновенного значения скорости

1-ае -х +

где 50 =<!,; э, =а2; г, = —--—

ТсМ!) <1е(Х-1) + Те,(с1£-с1е)

--• г ---—----

Таблица 2 - Динамические характеристики сравниваемых систем без звена запаздывания (измерение мгновенного значения скорости).

Система 1 (рис.3)

Система 2 (ИП-регулятор)

и о

В"

а ы

и

0,8 0,4 0 -0,2

*10

,-2

СО.

1,2]____________СТ1 =6,1%

О

4-

и, 1,2

0,8 0,4 О -0,2

30 60 90 120 150 иы

«10"

= 8,4%

I »0=16,4,

О ~30 60 90 120 150 ь

о о а, ю

-о,: -0,2

хЮ"

0,3 I- 1с. =0,025-,-. 0,2 0,1

(¡Аш.^ск = 0,017

и у ^Л'^VAVVW^^W*VVV**W^fWVVV^V\VW»VV\VV^V—

,1..\4^Лсвд*' = 0'00и.......]...............!

О).

0,3 0,2 0,1 о -0,1 -0,2.

1С. = 0,025

О 30 60 90 120 150 1,,

О 30 60 90 120 150 им

В четвертом разделе дано обоснование новых принципов автоматической настройки микропроцессорных систем управления тиристорным электроприводом. Процесс настройки характеризуется малой длительностью во времени и выполняется в условиях вращения электродвигателя. Это упрощает процесс настройки и расширяет область ее применения, поскольку в этом случае отсутствует необходимость обеспечения неподвижного состояния двигателя во время настройки регулятора тока.

Автоматическая настройка регулятора тока осуществляется при работе тиристорного выпрямителя в режиме прерывистого тока. При этом в цикле настройки формируются разнополярные импульсы тока (рис.4), в результате чего скорость двигателя имеет небольшие значения, угол поворота вала двигателя ф в конце цикла равен 0 и работают все тиристоры выпрямителя и все фазы питающей сети, что позволяет учесть возможный разброс их параметров. Такие циклы реализуются для углов управления = 2л/3-(7с/6Мд)-j при

j = 1...Н\. Исходя из погрешности в 1% при реализации углов управления при регулировании в режиме прерывистого тока, обосновано, что число аппроксимирующих отрезков Ид регулировочной характеристики тиристорного выпрямителя (рис.2) должно быть не менее 4.

1.

0,04 0,02 0

-0,02 -0,04 -0,06

0 10 20 30 40 50 60 70 80 1,мс Рис.4. Временная диаграмма изменения тока в процессе настройки.

В каждом цикле определяются усредненные значения тока 1п"0)> а ПРИ _]~(Мд—1) и ]=КА - еще и усредненные значения длительности протекания тока После последнего цикла осуществляется поиск граничного режима протекания тока с учетом выполнения условия Л. = я/3. По значениям угла

управления а

тока

1г

в граничном режиме вычисляются:

к0к[ =1г#/(л/2-аг), и далее Аапу) и £ ^ к]1, необходимые для регулирования в режиме прерывистого тока (см. табл.1). А с учетом зависимости, полученной при выполнении диссертационной работы с помощью пакета МаЛСАЭ, по измеренной длительности протекания тока определяются

¿е=ьг(^ЫА-^А-1)-Ьо и Те* = -1/1п(ёе). При Ь0 = 2,27 и 12,47 в диапазоне 0,01 с <Те < 0,05 с обеспечивается погрешность определения параметра сЗе менее 0,25%. Доказано, что определение с!е по изменению длительности протекания тока характеризуется низкой чувствительностью к изменениям ЭДС двигателя и к неточности формирования угла управления.

На основе значений с1е, к0Ц и Те* рассчитываются коэффициенты регулятора тока.

При автоматической настройке регулятора скорости электропривода определяется изменение скорости при двух постоянных уровнях динамического момента двигателя, формируемых также из условия нулевого конечного значения угла поворота вала двигателя ср.

Изменение скорости за один интервал дискретности характеризует уравнение (.1 - момент инерции привода, Мс - момент нагрузки привода)

Т

ю[«3~ со[п-1]

Тмсн-

(8)

Для повышения точности получаемых результатов изменение скорости оценивается за N интервалов дискретности Тю при разгоне и торможении привода, что отражается системой уравнений

И

kÎsHM-^ki^'Dîiii-^ÎMcM; i=i >=i J ¡=1 (9)

к» 2(Ю2И-Ю2М])= kj^r'i^fi]-^¿Mc[i]. ¡=1 i=l J i=l

С учетом предположения постоянства Мс из системы (9) следует

^jk^kj =— - ь-. (Ю)

Zifn-Zb'ii]

i=l i=l

На

основе значения kj кш к[ рассчитываются коэффициент kPR регулятора скорости и параметры контура идентификации нагрузки привода.

Такая же формула (10) определяет значение kj kM k f ' и при измерении средней скорости, поскольку в установившемся режиме линейного изменения скорости приращения мгновенных и средних значений скорости абсолютно одинаковые.

В пятом разделе приведено описание экспериментальной установки тиристорного электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением, функционирующей в соответствии с разработанными принципами автоматической настройки, регулирования тока и скорости электропривода. Даны основные результаты экспериментальных исследований, подтвердившие правильность использованных теоретических предпосылок, эффективность разработанных алгоритмов регулирования, адекватность реального электропривода и математических моделей, на основе которых были получены результаты исследований, приводимые в разделах 1-4.

Основу экспериментального стенда составляет привод механизма поворота промышленного робота МП20 с двигателем постоянного тока типа 1ПИ12 (U,IOM=60 В, 1„ом=12 A, nHOV<=1000 об/мин, М„оч= 4,7 Нм), питаемым от трехфазного мостового реверсивного тиристорного преобразователя напряжения. Постоянные времени тиристорного электропривода: электромагнитная постоянная Те=9,7 мс; электромеханическая постоянная Тм=71 мс. Микропроцессорная система управления электроприводом реализована на базе микропроцессора К1810ВМ86.

Работу привода при автоматической настройке регулятора тока до начала поиска граничного режима характеризует рис.5, а изменения тока и скорости при автоматической настройке регулятора скорости отражены на рис.6.

Рис.5. Временная диаграмма изменения тока при определении параметров регулировочной характеристики тиристорного выпрямителя.

Рис.6. Временная диаграмма процесса автоматической настройки регулятора скорости электропривода.

После окончания автоматической настройки процесс регулирования силового тока тиристорного электропривода при скачке задания характеризуется диаграммами, изображенные на рис.7.

Регулирование скорости электропривода при формировании задания на скорость с помощью задатчика интенсивности демонстрируют диаграммы, приведенные на рис.8. Из этих результатов следует вывод о существенном улучшении быстродействия формирования силового тока электропривода в

системе с идентификацией и компенсацией нагрузки привода: время первого согласования в зависимости от варианта систем в 1,6 ... 3,3 раза меньше, чем в системе с интегрально-пропорциональным регулятором скорости. Вследствие этого уменьшается динамическая ошибка по скорости и имеет место снижение электрических потерь.

Рис.8. Процессы регулирования скорости электропривода.'

ВЫВОДЫ

В диссертации на основе теории дискретных систем регулирования решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в теоретическом обосновании и реализации микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом с автоматической настройкой и изменяемым интервалом дискретности регулирования. При решении этой задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение, получены следующие основные научные и технические результаты:

1. На основе анализа имеющихся разработок в области систем тиристорного электропривода с микропроцессорным управлением определена необходимость разработки новых принципов регулирования среднего значения силового тока электропривода с максимально возможным быстродействием, выполнения дальнейших исследований по быстродействующей идентификации и компенсации нагрузки электропривода и обоснования принципов эффективной автоматической настройки как регулятора скорости, так и регулятора тока при вращающемся двигателе.

2. Обоснована целесообразность и определен закон изменения интервала дискретности регулирования тока для стабилизации динамических свойств объектов в контурах регулирования тока и скорости электропривода, что упрощает решение задачи высокодинамичного регулирования координат тиристорного электропривода.

3. Выполнен синтез алгоритмов цифрового регулирования среднего значения силового тока с изменяемым интервалом дискретности, обеспечивающих регулирование тока с максимально возможным быстродействием.

4. Разработан новый принцип автоматической настройки регулятора тока на основе определения параметров объекта регулирования в процессе формирования разнополярных импульсов тока в прерывистом режиме при вращающемся двигателе. Обосновано, что электромагнитную постоянную времени силовой цепи целесообразно определять на основе приращения длительности протекания тока в режиме прерывистого тока при изменении угла управления.

5. Синтезированы системы цифрового регулирования скорости с идентификацией и компенсацией нагрузки электропривода при обратной связи как по мгновенному, так и по среднему значениям скорости. При этом с целью улучшения процесса идентификации нагрузки на основе среднего значения скорости получена уточненная дискретная передаточная функция, характеризующая связь среднего и мгновенного значений скорости электропривода с учетом задержки открывания тиристоров относительно момента измерения скорости.

6. Выполнен анализ динамических свойств синтезированных систем регулирования скорости. По сравнению с обычными системами с интегрально-пропорциональным регулятором скорости в зависимости от вида обратной связи по скорости и наличия задержки формирования задания на ток улучшаются показатели качества регулирования: уменьшается время первого согласования при скачке задания в ■ 1,6...3,27 раза; уменьшается динамическое падение скорости при набросе нагрузки в 1,1...2,73 раза при одновременном уменьшении интеграла от абсолютного значения ошибки по скорости в 1,43.„4,38 раза.

7. Разработана методика компьютерной оптимизации систем регулирования с помощью программного пакета Ма^САО, позволяющая существенно снизить затраты времени и вероятность ошибок в процессе оптимизации.

8. Разработан принцип автоматической настройки регулятора скорости при обратной связи как по мгновенному, так и по среднему значению скорости на основе определения параметров объекта регулирования с учетом изменения скорости при двух уровнях динамического момента (тока) электропривода.

9. Создана математическая модель тиристорного электропривода с цифровым управлением, учитывающая нелинейные свойства тиристорного выпрямителя. Модель реализована в среде моделирующего компьютерного пакета ОБ88 и использована при анализе свойств систем регулирования. Адекватность математической модели и реального тиристорного электропривода подтверждена в процессе исследований на созданной экспериментальной .установке тиристорного электропривода с микропроцессорным управлением.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Старостин С.С. Система тиристорного электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением // Повышение технического уровня взрывозащищенного электрооборудования: Сборник научных трудов ВНИИВЭ. - Донецк: ВНИИВЭ, 1987. - С.21 - 27.

2. Старостин С.С. Оптимизация микропроцессорного регулятора тока тиристорного электропривода по требуемому быстродействию регулирования // Електромашинобудування та електрообладнання: Республжанський мгжгмдом-чий науково-техшчний зб!рник. - К.: Техшка, 1997. - Вип.49. - С.43 - 48.

3. Старостин С.С. Оптимизация систем регулирования электропривода с помощью программного пакета МаАсаё // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ, 1998. - С.99 - 102.

4. Старостин С.С. Автоматическая настройка микропроцессорного регулятора для тиристорного электропривода // Електромашинобудування та електрообладнання: Республжанський м1жвщомчий науково-техшчний зб1рник.- К.: Техшка, 1999. - Вип.52. - С.35 -41.

5. Старостин С.С. Система цифрового регулирования скорости с идентификациёй нагрузки электропривода // Сборник научных трудов Донецкого государственного технического университета. Сер. Электротехника и энергетика, выпуск 4. - Донецк: ДонГТУ, 1999. - С.151 - 155.

6. Старостин С.С. Алгоритмы функционирования микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом постоянного тока Н Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции. - Харьков: ХГПУ, 1994. - С.48 - 50.

7. Старостин С.С. Регулирование тока тиристорного электропривода с автоматической настройкой параметров микропроцессорного регулятора // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции. - Харьков: Основа, 1995. - С.149 - 151.

8. Старостин С.С. Комбинированное микропроцессорное регулирование скорости тиристорного электропривода // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции.-Харьков: Основа, 1996. - С. 13 5 - 13 6.

9. Старостин С.С. Наблюдатель-предиктор состояния в цифровой системе регулирования скорости электропривода // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции.-Харьков: Основа, 1997.-С. 176 - 177.

АНОТАЦ1Я

Старостш С.С. MiKponponecopua система керування тиристорним електроприводом з автоматичною настройкою та змшюваним штервалом дискретност:. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеню кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.09.03 - Електротехшчш комплекси та системи. - Донецький державний техн'1чний уншерситет, Донедьк, 2000.

Дисертащя присвячена питаниям теоретичного обгрунтування та реалпзацп мжропроцесорно'Г системи управлшня тиристорним електроприводом постж-ного струму з покращенними функцюнальними властивостями. Запропоновано принцип змшювання штервала дискретное™ регулювання силового струму тиристорного електроприводу, забезпечуючий стабшзащю динам1чних характеристик контуру регулювання струму. Знайдено закони регулювання струму з максимально можливою 6истрод1ею. Виконано подалыш дослщження систем з ¡дентифкашею та компенсашею навантаження приводу. Досягнуто покращення динам! ки процеав регулювання швидкость Розроблено ал гор ¡тми бистрод1ючоУ автоматично!" настройки регуляторщ струму та швидкост1 електроприводу з поширеною областю застосування. Результата дисертацп можуть бути використаш i для тиристорного електроприводу змшного струму.

Ключов1 слова: м!кропроцесорне управлшня, тиристорний електропривод, змшюваний ¡нтервал дискретност!, регулювання, ¡дентифжащя навантаження, автоматична настройка.

ABSTRACT

Starostin S.S. Microprocessor-based Control System for Thyristorized Electrical Drive with Auto-tuning and Variable Sampling Interval. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical science degree by speciality 05.09.03 -Eiectrotechnical Complexes and Systems. - Donetsk state technical university, Donetsk, 2000.

This thesis is dedicated to questions of the theoretical grounds and the realisation of microprocessor-based control system for thyristorized electrical DC drives with improved functional performances. The principle is proposed for variations of the sampling interval during current regulation for the dynamical behaviour stabilisation of current control loop. Laws are obtained for current regulation with minimum response time. Further investigations are carried out for systems with the identification and compensation of drive load. The dynamic improvement for speed regulation has achieved. Auto-tuning algorithms for current and speed regulators of electrical drives have been developed for wide range using. Results can be used also for thyristorized electrical AC drives.

Key words: microprocessor-based control, thyristorized electrical drive, variable sampling interval, regulation, load identification, auto-tuning

АННОТАЦИЯ

Старостин С.С. Микропроцессорная система управления тиристорным электроприводом с автоматической настройкой и изменяемым интервалом дискретности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. -Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена вопросам теоретического обоснования и реализации микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом постоянного тока с улучшенными функциональными свойствами.

Проведен анализ существующих решений в области цифрового регулирования для систем тиристорного электропривода на базе микропроцессорных контроллеров. Определена общность систем регулирования тиристорного электропривода постоянного и переменного тока, строящихся на основе тиристорных выпрямителей. Обоснована необходимость решения задач в областях регулирования среднего значения силового тока электропривода, идентификации и компенсации нагрузки электропривода, а также автоматической настройки систем управления тиристорными электроприводами.

Предложен принцип изменения интервала дискретности регулирования силового тока тиристорного электропривода, обеспечивающий стабилизацию динамических характеристик контура регулирования тока. Выполнен синтез регулятора тока из условий процесса регулирования с конечной длительностью при максимальном быстродействии. При синтезе использована импульсная модель тиристорного выпрямителя - представление тиристорного выпрямителя как идеального импульсного элемента с учетом задержки включения тиристоров относительно начала интервала дискретности. С помощью компьютерного пакета Ма(ЬСЛ07 определены дополнительные корректирующие воздействия для реализации регулирования с максимально возможным быстродействием в режимах непрерывного и прерывистого тока.

Проведены дальнейшие исследования систем регулирования скорости с идентификацией и Компенсацией нагрузки привода при обратной связи как по мгновенному, так и по среднему значению скорости. Рассмотрены вопросы регулирования скорости при запаздывании на один интервал дискретности в формировании задания на ток. В системах использован пропорциональный регулятор скорости с компенсацией нагрузки за счет изменения задания на ток (момент) электропривода с учетом идентифицированной нагрузки. Идентификация нагрузки реализована на основе математической модели объекта регулирования, отражающей связь между вращающим моментом и скоростью электропривода. На основе импульсной модели тиристорного выпрямителя получена уточненная передаточная функция, характеризующая связь среднего и

мгновенного значений скорости, позволившая реализовать улучшенный процесс идентификации нагрузки при измерении средней скорости электропривода. Корректирующее звено в контуре идентификации нагрузки синтезировано из условий процесса конечной длительности с максимальным быстродействием.

Доказано улучшение динамических характеристик систем регулирования скорости с идентификацией и компенсацией нагрузки привода по сравнению с системами с интегрально-пропорциональным регулятором скорости при изменениях как задающего воздействия, так и нагрузки электропривода.

Разработана методика компьютерной оптимизации систем регулирования с помощью пакета МаШСАО, позволяющая существенно снизить затраты времени и вероятность ошибок в процессе оптимизации. Оптимизация контуров регулирования скорости в исследованных системах выполнена по модульному оптимуму.

Разработаны алгоритмы быстродействующей автоматической настройки регуляторов тока и скорости электропривода с расширенной , областью применения. Предложено автоматическую настройку регулятора тока осуществлять на основе данных, получаемых при измерении среднего значения тока и длительности протекания тока при определенных углах управления тиристорного выпрямителя в режиме прерывистого тока при вращающемся двигателе. При этом формируются разнополярные импульсы тока, исходя из предпосылки нулевого результирующего угла поворота вала двигателя.

Обосновано, что электромагнитную постоянную времени силовой цепи целесообразно определять на основе изменения длительности протекания тока в режиме прерывистого тока.

Автоматическую настройку регулятора скорости предложено выполнять на основе определения параметров объекта регулирования с учетом изменения скорости при двух уровнях динамического момента (тока) электропривода при измерении как мгновенного, так и среднего значения скорости.

Проведены исследования на созданной экспериментальной установке тиристорного электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением. Подтверждена правильность использованных теоретических предпосылок, эффективность разработанных алгоритмов регулирования, адекватность реального электропривода и математических моделей, на основе которых проводились исследования.

Результаты диссертации могут быть использованы и для тиристорного электропривода переменного тока на базе преобразователей частоты с инверторами тока или с непосредственной связью.

Ключевые слова: микропроцессорное управление, тиристорный электропривод, изменяемый интервал дискретности, регулирование, идентификация нагрузки, автоматическая настройка.