автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Алгоритмический метод повышения точности привода вращения и позиционирования антенны

На правах рукописи

Васев Григорий Владимирович

АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АНТЕННЫ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 ПАЙ 2013

Ковров 2013

005059106

005059106

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Всероссийский научно-исследовательский институт «Сигнал», г. Ковров.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор НОВОСЕЛОВ Борис Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЕГОРОВ Игорь Николаевич кандидат технических наук, доцент СЛИПЕНКО Геннадий Константинович

Ведущая организация:

ОАО «НПО «ЛЭМЗ», г. Москва

Защита диссертации состоится « 24 » мая 2013 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.090.01 при ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева» по адресу: 601910, г. Ковров, ул. Маяковского, д. 19, ауд. 244 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева».

Автореферат разослан « 24 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

уПантелеев Евгений Юрьевич

Общая характеристика работы

Актуальность задачи. Особенностями современных антенн РЛС подвижных объектов являются высокие моменты инерции антенны и значения знакопеременного возмущающего момента (ветровая нагрузка), наличие ограничения максимальной скорости и ускорения антенны, возможность позиционирования с любой скорости вращения с высокой точностью за кратчайшее время. На сегодняшний момент для управления вращением антенн РЛС применяются гидроприводы, а также приводы постоянного и переменного тока.

Разработка электроприводов на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами позволяет повысить надежность РЛС, уменьшить время наведения антенны на заданные углы, расширить диапазон скоростей вращения антенны, сократить время свертывания РЛС, снизить уровень шума и потребляемую мощность оборудования. Учитывая особенности управления движением антенн, для повышения точности отработки заданий необходима разработка новых алгоритмов позиционирования и регулирования скорости, обеспечивающих требуемые характеристики.

Вместе с тем такие характеристики привода, как плавность движения, КПД, диапазон регулируемых скоростей и удельная мощность зависят от метода управления синхронным двигателем. Достигаемые на данный момент технические характеристики синхронных приводов еще далеки от теоретически возможных, в том числе и из-за недостаточной проработки алгоритмов регулирования фазных токов. Это обусловлено сложностью математического описания синхронного двигателя с учетом всех действующих факторов, а также трудностью или невозможностью прямого регулирования некоторых физических величин двигателя. Данное обстоятельство ставит в число актуальных вопросов дальнейшего развития привода переменного тока совершенствование алгоритмов векторного управления двигателями для достижения лучших характеристик привода.

Объект исследования. Объектом исследования работы является синхронный электропривод антенны РЛС подвижного объекта.

Цель работы. Целью работы является повышение технических характеристик приводов антенн РЛС за счет совершенствования алгоритмов позиционирования, регулирования скорости вращения антенны, метода регулирования тока синхронного двигателя при частотно-токовом управлении, а также разработка средств имитационного моделирования синхронных электроприводов.

Задачи работы. Поставленная цель работы достигается решением следующих задач:

1. Провести анализ архитектуры современных управляемых синхронных электроприводов движения антенн и определить требования к их составным частям.

2. Разработать алгоритмы позиционного и скоростного контуров привода антенны с учетом свойств объекта управления (антенны) и накладываемых ограничений.

3. Выявить возможные пути повышения технических характеристик регулятора тока статора синхронного двигателя.

4. Разработать метод регулирования тока статора синхронного двигателя, позволяющего повысить энергетические показатели привода.

5. Разработать имитационную модель синхронного привода, отражающую процессы, происходящие в токовом контуре управления, и подтвердить ее достоверность.

6. Определить эффективность разработанных алгоритмов и метода регулирования тока синхронного двигателя с помощью имитационной модели.

Методы исследований:

- математическая модель привода вращения и позиционирования антенны PJIC выполнена на основе уравнений теоретической механики, методов электротехники, элементов теории автоматического управления, матричного и дифференциального исчисления;

- при имитационном моделировании на ЭВМ привода антенны использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, методы визуального моделирования;

- достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Предмет исследования. Предметом исследования настоящей работы являются технические характеристики синхронного электропривода управления движением антенны PJIC.

В значительной мере развитию современных синхронных приводов с векторным управлением в России способствовали работы Рудакова В.В., ШрейнераР.Т., Оншценко Г.Б., Москаленко В.В., Архангельского АЛ., Виноградова А.Б., Соколовского Г.Г, Бродовского В.А., Чемоданова Б.К. и др. Из иностранных авторов можно выделить работы I. Takahashi, F. Blashke, J. Holtz, T.A. Lippo, D.W. Novotny, H. Kubota.

Разработки синхронных приводов на протяжении последних нескольких десятилетий велись коллективом «ВНИИ «Сигнал», наиболее

активное участие в которых принимали Зезин В.Г., Друговский А.Ю., Сомов А.И., Новоселов Б.В., Беляев A.A., Орлов C.B., Шаталов В.А., Павлов A.A., Лавров Р.В.

В настоящее время разработку приводов переменного тока с векторным управлением ведут такие предприятия, как ФГУП «ЦНИИАГ» (г. Москва), ОАО «СКВ ПА» (г. Ковров), ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (г. Иваново), НПЦ электропривода «Вектор» (г. Иваново) и д.р.

Научная новизна.

1. Уточнена математическая модель преобразователя частоты на основе выявленных зависимостей значений напряжения ЗПТ от потребляемой мощности, а также учета характера изменения напряжения на силовом ключе в зависимости от схемной реализации управления им.

2. Обосновано влияние вводимых нелинейностей ПИ-регулятора скорости на значения ошибки скорости и время приведения антенны на заданный угол.

3. Определен способ расчета скорости синхронного двигателя с помощью сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора в условиях низкой частоты работы ЭВМ.

4. Доказано снижение частоты работы ключей инвертора и общих тепловых потерь в инверторе при использовании разработанного метода регулирования тока статора синхронного двигателя.

Практическая значимость.

1. Разработанная имитационная модель синхронного электропривода позволяет выполнять расчет статических и динамических характеристик привода с учетом особенностей работы преобразователя частоты со звеном постоянного тока и регулятора тока статора, а также проводить исследования влияния параметров привода на указанные характеристики.

2. Предложенный алгоритм определения скорости вращения ротора синхронного двигателя позволяет отказаться от использования в составе привода датчика скорости.

3. Разработанные алгоритмы позиционного и скоростного контуров позволяют снизить время позиционирования и повысить точность отработки заданной скорости вращения антенны.

4. Разработанный алгоритм регулятора тока статора синхронного двигателя и его программная реализация способствуют повышению качества управления и технических характеристик синхронного привода.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа архитектуры современных управляемых синхронных электроприводов движения антенн, определяющие цель и задачи диссертационной работы.

2. Математическая модель синхронного привода вращения и позиционирования антенны, отражающая влияние работы статического преобразователя на работу контура регулирования тока двигателя.

3. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований эффективности предложенных алгоритмов и метода регулирования тока статора двигателя.

Реализация результатов работы. Данная диссертация обобщает самостоятельные исследования автора, полученные в ходе работ, проводимых коллективом ОАО «ВНИИ «Сигнал» по разработке приводов вращения и позиционирования антенн РЛС подвижных комплексов. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ОАО «НПО «ЛЭМЗ», г. Москва (ОКР «96Л6-АП», 2007-2012 гг.), в ОАО «ВНИИРТ», г. Москва (ОКР «ПАВ АС изделия 6442-1», продолжается с 2012 г. по настоящее время).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Молодежной конференции Московского отделения Международной общественной организации "Академия навигации и управления движением" (Москва, 2009, 2011 гг.), на XII Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов" (Тула, 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 10 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 116 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах, содержит 47 иллюстрации и 5 таблиц. Общий объем работы составляет 198 страниц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, задачи исследования, методы их решения, практическая значимость и научная новизна.

В первой главе определены требования к электроприводам антенн РЛС и составным частям синхронного электропривода, обозначены особенности применения синхронных двигателей с постоянными магнитами (СДПМ), а также существующих способов управления ими, выполнен анализ путей повышения технических характеристик приводов антенн РЛС.

Отмечается, что до конца 90-х годов XX в. в приводах вращения радиолокационных антенн в основном применялись гидроприводы или элек-

троприводы на базе асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока. Применение синхронных, приводов в области управления вращением антенн подвижных РЛС позволило снизить массу и габариты элементов привода, повысить КПД привода, уменьшить периодичность технического обслуживания, снизить ошибку регулирования скорости вращения и время

тока; ТР - тормозной резистор; АИН - автономный инвертор напряжения; ПЧ - преобразователь частоты; ДТ1, ДТ2 - фазные датчики тока; Ы, Ь2, ЬЗ - фазные дроссели; СД - синхронный двигатель; ДПР - датчик положения ротора; Р - редуктор; ОУ -объект управления; ДС - датчик скорости; ДП - датчик положения

На сегодняшний день общепринятой структурной схемой синхронного привода является схема со звеном постоянного напряжения (рис. 1). Достоинством данной схемы является возможность унификации элементов привода, а изменение алгоритмов управления определяет результирующие характеристики привода.

Решение поставленных задач невозможно производить без создания адекватного математического описания процессов, происходящих в приводе.

Во второй главе разработан алгоритм определения скорости движения антенны, алгоритмы скоростного и позиционного контуров управления и метод регулирования тока СДПМ.

Определение скорости вращения антенны производится с помощью сигналов с ФЧВ синусно-косинусного вращающегося трансформатора, расположенного на роторе СДПМ и используемого как ДПР. Дан-

ное решение позволяет отказаться от установки отдельного датчика скорости в приводе.

Определение скорости в области малых скоростей вращения антенны производится с помощью нахождения производных сигналов синусной и косинусной обмоток трансформатора, реализованных с помощью звеньев, описываемых передаточной функцией вида:

W¿z) = —H±-

T¡z + T-T¡

где Т- период квантования; Та - коэффициент производной; Т, - постоянная времени.

Для данного способа диапазон определяемых скоростей ограничивается частотой обновления информации (частотой опроса ЦАП) и частотой расчета алгоритма. В связи с чем, определение значений больших скоростей вращения производится путем подсчета количества переходов сигналов через ноль за единицу времени. Для этого используется сигнал Vac, определяемый по уравнению:

У* = (sign(-Asm¡{2тф)- Aún,^(2iift))) + + (sign(-Acos¡(2%ft) • ^cos,_i(2n/0)) + 2,

где Asiai(2nft), A cos ¡(Inft) - сигналы синуса и косинуса ФЧВ на /-м

такте; Л sin ,.,(271/?), Acos,_¡ (2nft) - сигналы синуса и косинуса ФЧВ на

(;-/)-м такте.

Частота следования импульсов сигнала Vac линейно зависит от скорости вращения СКВТ. Для преобразования частоты в сигнал скорости используется фильтр второго порядка с передаточной функцией:

= —^---.

Тр + Т-Т, TiZ + T-Tt

Результирующий сигнал скорости получается путем комплексиро-вания показаний, рассчитанных обоими способами в соответствии с уравнением:

col, если т„_, <

ra. =-¡tD,-+ю2-^слию^ <ю„_, <o)„

co2, если con_, ><0^

где Юпш, ©„их - границы комплексирования сигналов скорости; &„, 00^1 -значение скорости на текущем и предыдущем тактах; - значение скорости, рассчитанное с помощью нахождения производных сигналов ФЧВ; ю2 - значение скорости, рассчитанное вторым способом.

Отмечается, что основной нагрузкой привода является знакопеременный аэродинамический момент, зависящий от угла поворота антенны. Применение классических ПИД-регуляторов скорости и положения не позволяет достичь необходимого качества регулирования. Повысить характеристики электропривода удалось путем введения корректирующих звеньев и ряда нелинейностей в цифровом алгоритме.

В ПИ-регулятор скорости введена степенная зависимость коэффициента от скоростной ошибки, что позволяет увеличить прямой коэффициент регулятора при больших рассогласованиях и избежать автоколебаний за счет его снижения при малых значениях ошибки скорости.

Для повышения быстродействия интегральной части ПИ-регулятора с сохранением устойчивости привода в регуляторе реализовано запрещение работы интегральной части в режимах позиционирования и вращения при рассогласованиях, превышающих установленные значения, а также ускоренный сброс значения интеграла для снижения величины перерегулирования и уменьшения количества перебегов. Сброс производится путем деления при выполнении следующих условий:

- значение ошибки скорости превышает установленный порог;

- произведение ошибки скорости и значения интеграла меньше нуля;

- значение счетчика сброса превысило установленный порог.

Блок коррекции, используемый для увеличения запаса устойчивости привода, представляет собой два последовательно включенных ин-тегро-дифференцирующих звена. Билинейное преобразование для передаточной функции блока коррекции Ж^г) описывается следующим выражением:

я, + агг4 + Ъг2~х

1 + а3г 1 1 + 1

1 + 271,/Г \-2TJT 1-2 Тг/Т

а\ ~-> а1 =-, Яз =-i-,

\ + 2Тг1Т \ + 2Т2/Т 1 + 2 Т2/Т

, \ + 2Тъ1Т , \-2TJT , \-2TJT

Ьг =-2-, Ь2 =---, Ъ, --,

1 + 2 Т4/Т 1 + 2 ТА/Т 1 + 2Т4 / Т

где Т\, Т2, 7з, Т4 — постоянные времени блока коррекции.

Отличительной особенностью антенной системы как объекта управления является возможность перехода в режим позиционирования с любой скорости вращения. Наличие в системе ограничения ускорения антенны приводит к возникновению ситуаций, когда после начала торможения при позиционировании на заданный угол антенна проходит положение, в котором происходит изменение знака углового положения (при переходе через 180°), после чего вновь начинается разгон. С целью исключения подобных ситуаций при больших рассогласованиях в режиме позиционирования разработан алгоритм с формированием заданий скорости антенны. При переключении в режим позиционирования или изменении заданного угла позиционирования в алгоритме определяются задания скорости антенны, обеспечивающие сокращение времени позиционирования.

Для повышения энергетических характеристик привода разработан метод регулирования тока статора СДПМ с использованием состояний АИН, при которых в фазе АИН допускается отключение обоих силовых ключей.

При использовании указанных состояний АИН, все возможные векторы напряжения статора С/, показаны на рис. 2.

Рис. 2. Базовые векторы напряжения статора и границы токовых ошибок,

и,

используемые для управления

Определение управляющих сигналов АИН производится с помощью постоянного слежения за ошибкой тока СДПМ, осуществляемого по релейным сигналам, свидетельствующим о нахождения ошибки тока в каждой из трех установленных зон ошибки. Достоинством данного метода является его относительная простота, так как не требуется расчета векторных величин, характеризующих состояние СДПМ.

В третьей главе разработана математическая модель синхронного электропривода, с учетом влияния работы ПЧ на регулирование тока статора двигателя, построена машинная модель в среде Simulink 5.0.

В качестве объекта математического описания выбран электропривод разработки ОАО «ВНИИ «Сигнал». Структурная схема данного электропривода в целом соответствует схеме, приведенной на рис. 1, в которой для разряда ЗПТ используется тормозной резистор, подключенный через полупроводниковый ключ.

Отмечено, что для оценки работоспособности и качества регулирования тока статора СДПМ с использованием имитационных моделей привода зачастую ПЧ представляется как устройство, состоящее из источника постоянного напряжения и АИН с идеальными ключами или ключами с заранее известными характеристиками. Однако анализ схемы привода и современных алгоритмов регулирования тока двигателя показывает, что существенное влияние на процесс регулирования тока оказывают параметры работы ПЧ. К числу таких параметров относятся: изменение напряжения ЗПТ в зависимости от потребляемой мощности и при работе двигателя в режиме генератора, задержки включения и выключения силовых ключей АИН после поступления сигнала на переключение, характер изменения напряжения на силовом ключе при его коммутации, падение напряжения на диодах выпрямителя и ключах АИН.

В работе, для описания изменения уровня напряжения ЗПТ передаточная функция выпрямителя напряжения, без учета диодов, имеет вид:

WC(P)J^--,

где Rf- сопротивление подводящих проводов и внутреннее сопротивление источника питания; С - емкость ЗПТ; i?3K8 - эквивалентное сопротивление нагрузки. Эквивалентное сопротивление определяется выражением:

з + р +р

теп.АИН тспдв мех.

где Ртеп. ашь - мощности тепловых потерь в подводящих проводах и инверторе напряжения; Ртеп, от. - тепловые потери в двигателе; Рмсх. -полезная механическая мощность.

Математическое описание ключа АИН совместно со схемой его управления представлена в следующем виде:

и

ирг_КЬ

и .е-Ьмр

——-,еслиЦрг_К1 = 1

Тшр + 1

и ,е-ТгшР '

20 ,еслц[1рг_К1-0

ТуШр +1

где Г2уИ, Т7мы - задержки включения и выключения ключа; Тм, Гу,и -постоянные времени включения и выключения ключа.

В четвертой главе проверена достоверность полученной имитационной модели путем сопоставления результатов моделирования с результатами испытаний опытного образца электропривода, разработан программный код регулятора тока на языке Ма&аЬ с использованием разработанного метода регулирования тока и приведены полученные с помощью имитационной модели характеристики привода при использовании данного регулятора.

При испытаниях в качестве эталонной скорости использовались показания технологического датчика 1111-5, а вычисленное значение скорости использовано для замыкания электропривода по скорости. Полученные в процессе исследований результаты показывают, что расчетное значение скорости соответствует измеренному значению с точностью до 1 % от максимальной скорости вращения.

Благодаря реализации алгоритма в синхронном электроприводе вращения антенны РЛС разработки ОАО «ВНИИ «Сигнал» удалось отказаться от установки датчика скорости и при этом выполнить требования технического задания по точности стабилизации скорости вращения антенны.

Для подтверждения достоверности имитационной модели синхронного электропривода проводилось сравнение результатов моделирования с данными испытаний опытного образца электропривода по следующим характеристикам: времени и ошибке позиционирования, отработке заданной скорости, характеру изменения напряжения ЗПТ, изменению напряжения при коммутации ключей АИН, частоте и амплитуде ошибки тока СДПМ. На рис. 3-5 приведены результаты испытаний опытного образца привода и моделирования.

■\<f)H,tрад

а б

Рис. 3. Ошибка позиционирования привода на угол 180°: а - при контроле на электроприводе; б — при моделировании

Д«к,Фад/с

j.....i......и

1 /П

9 9,4 9,3 10,2 10.6 11 11,4 11,8 12.2 t, сек

5 5,5 6 6,5 7 7,5

8,5 9 9.5 10 t, сек

Cm 20timV

Рис. 4. Ошибка отработки скорости 120 °/с: а - при контроле на электроприводе; б - при моделировании

Тек S„.....estop

Рис. 5. Пульсации тока фазы синхронного двигателя с релейным регулятором тока: а -при контроле на электроприводе (1 В соответствует току 16,6 А); б - при моделировании

Приведенные графики показывают высокую сходимость результатов моделирования с данными, полученными при испытаниях привода, что указывает на достоверность построенной модели привода и позволяет использовать машинную модель не только для выбора структуры и параметров контуров скорости и положения, но и производить качественную оценку различных методов регулирования тока СДПМ.

Моделирование работы привода показало, что частота коммутации ключей АИН в большей степени зависит от момента нагрузки на валу двигателя и скорости вращения ротора. В зависимости от режима работы привода применение разработанного метода регулирования тока позволяет снизить частоту коммутации ключей АИН не менее чем в два раза, в следствие чего снижение тепловых потерь в АИН составляет от 5 % до 15 %.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Анализ структурных схем синхронных электроприводов, используемых для управления антеннами РЛС, а также существующих способов управления СДПМ показывает, что дальнейшее повышение технических характеристик данных приводов целесообразно производить путем совершенствования алгоритмов управления привода.

2. Для решения задачи повышения технических характеристик привода антенны разработано более подробное, по сравнению с известными, математическое описание преобразователя частоты со звеном постоянного тока. В математическую модель вновь введено изменение напряжения звена постоянного тока в зависимости от режима работы привода, а также описан характер изменения напряжения на силовом ключе автономного инвертора напряжения при его коммутации.

3. Для повышения точности поддержания скорости вращения при воздействии знакопеременного возмущающего момента и сокращения времени приведения антенны на заданные углы предложено ввести нелинейности в ПИ-регулятор скорости. Отклонение фактической скорости от заданной уменьшилось с 7 /с до 3 °/с при заданной скорости 120 7с и возмущающем моменте амплитудой 12 Нм. Время позиционирования до ошибки 6 угл. мин. уменьшилось с 11,2 с до 7,6 с.

4. Для снижения выделяемой тепловой энергии в автономном инверторе напряжения предложен метод управления синхронным двигателем с

помощью дополнительных состояний инвертора, позволяющих уменьшить количество коммутаций ключей- Снижение количества выделяемой.:тепловой энергии сокращается на величину до 15%.

5. С целью исключения из состава привода датчика скорости антенны предложен алгоритм определения скорости антенны с помощью сигналов с ФЧВ вращающегося трансформатора, установленного на валу СДПМ.

Разработанные в диссертации метод, алгоритмы и программное обеспечение используются в разработанных ОАО «ВНИИ «Сигнал» приводах с номинальными мощностями 7 кВт и 13 кВт, предназначенных для вращения и позиционирования антенн в составе мобильных антенных комплексов.

Список публикаций

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Васев, Г.В. Алгоритм определения скорости по сигналам СКВТ / Г.В. Васев, А.Н. Коробов // Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. - М.: ФГУП «НТЦ «Информатика». 2013. - № 6 (258). - С. 27-29 (60%).

2. Коробов, А.Н. Разработка алгоритма позиционирования привода антенной системы в условиях ограничения ускорения / А.Н. Коробов, Г.В. Васев // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 228-234 (60%).

3. Глазунов, С.Д. Принцип управления силовым инвертором синхронного привода / С.Д. Глазунов, Г.В. Васев, А.Н. Коробов, JI.B. Морозова // Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. - М.: ФГУП «НТЦ «Информатика». 2009. - С. 22-26 (40 %).

4. Васев, Г.В. Усовершенствованный алгоритм регулирования тока статора синхронного двигателя / Г.В. Васев, А.Н. Коробов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 180-186 (80%).

5. Васев, Г.В. Метод снижения тепловых потерь в инверторе напряжения привода переменного тока / Г.В. Васев // Оборонная техника. - 2013. - № 1-2. - С. 40-43.

Публикации в других изданиях:

1. Васев, Г.В. Уточнение математической модели преобразователя привода переменного тока / Г.В. Васев // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: сборник научных трудов. Восьмой выпуск. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. -С. 190-195.

2. Глазунов, С.Д. Алгоритм выделения сигнала скорости из сигналов СКВТ / С.Д. Глазунов, Г.В. Васев, А.Н. Коробов // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: сборник научных трудов. Выпуск 6. - Ульяновск: УлГТУ, 2008.-С. 127-131 (30%).

3. Коробов, А.Н. Усовершенствованный цифровой алгоритм позиционирования и стабилизации скорости электропривода для антенны станции обнаружения цели / А.Н. Коробов, Г.В. Васев // Труды МИТ. Научно-технический сборник. Том 12. Часть 1. - М.: ОАО «Корпорация МИТ». 2012. - С. 222-227 (50%).

4. Васев, Г.В. Способ снижения мощности потерь в контуре тока синхронного двигателя / Г.В. Васев, А.Н. Коробов // Материалы X научно-технической конференции "Кибернетика и высокие технологии 21 века". Т.2, - Воронеж: ООО НПФ «САКВОЕЕ», 2009. - С. 911-917 (70%).

5. Васев, Г.В. Обзор алгоритмов управления синхронными двигателями с постоянными магнитами / Г.В. Васев // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: сборник научных трудов. Восьмой выпуск. - Ульяновск: УлГТУ, 2012.-С. 184-190.

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 15.04.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая №1. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,97. Тираж 100 экз. Заказ № 914.

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева» 601910, Ковров, ул. Маяковского, 19

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

«СИГНАЛ»

04201359240

На правах рукописи

ВАСЕВ ГРИГОРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АНТЕННЫ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Новоселов Б.В.

Ковров - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................5

1 Основные принципы построения синхронного электропривода антенны......12

1.1 Тенденции развития синхронных приводов радиолокационных

антенн...................................................................................................................12

1.2 Особенности применения синхронных двигателей с постоянными магнитами в приводах антенн............................................................................16

1.3 Обобщённая струрная схема синхронного электропривода антенны.....19

1.4 Обзор существующих способов управления синхронным двигателем............................................................................................................23

1.5 Обзор и предъявляемые требования к составным частям синхронного привода антенны..........................................................................31

1.5.1 Варианты построения автономных инверторов напряжения..........32

1.5.2 Способы определения положения ротора синхронного двигателя 37

1.5.3 Выбор фазных дросселей.....................................................................40

1.5.4 Особенности выбора тормозного резистора.....................................42

1.6 Обзор технических решений, направленных на повышение

характеристик синхронного привода антенны................................................44

Выводы.................................................................................................................48

2 Разработка алгоритмов управления синхронным приводом антенны.............50

2.1 Разработка алгоритма определения скорости антенны............................50

2.2 Разработка алгоритмов скоростного и позиционного контуров привода.................................................................................................................53

2.3 Учет влияния ограничения ускорения в режиме позиционирования.....57

2.4 Математическое обоснование алгоритма регулирования тока

статора синхронного двигателя.........................................................................64

2.5 Разработка метода регулирования тока статора синхронного двигателя..............................................................................................................68

2.6 Необходимые условия корректной работы регулятора тока...................77

Выводы.................................................................................................................82

3 Разработка математической модели синхронного привода антенны..............83

3.1 Математическая модель силовой части электропривода и объекта управления...........................................................................................................83

3.1.1 Математическая модель преобразователя частоты..........................83

3.1.2 Математическая модель синхронного двигателя.............................88

3.1.3 Математическая модель механической передачи и объекта управления......................................................................................................94

3.2 Математическая модель датчиков и элементов управления....................97

3.2.1 Математическая модель датчика положения ротора СДПМ на базе СКВТ...............................................................................................................97

3.2.2 Математическая модель датчиков тока.............................................98

3.2.3 Математическая модель датчика положения и скорости антенны. 98

3.2.4 Математическая модель элементов управления...............................98

3.3 Проверка достоверности разработанной математической модели.......100

Выводы...............................................................................................................108

4 Исследование характеристик разработанных алгоритмов управления привода антенны....................................................................................................................109

4.1 Особенности разработки машинных моделей регулятора тока

статора СДПМ...................................................................................................109

4.2 Оценка характеристик разработанного алгоритма определения скорости антенны..............................................................................................112

4.3 Исследование разработанных алгоритмов позиционного и скоростного контуров.......................................................................................113

4.4 Оценка характеристик разработанного алгоритма регулирования

тока статора........................................................................................................116

Выводы...............................................................................................................125

Заключение..............................................................................................................126

Литература...............................................................................................................128

Приложение А.........................................................................................................141

Приложение Б..........................................................................................................155

Приложение В..........................................................................................................167

Приложение Г..........................................................................................................195

Введение

Актуальность работы. На сегодняшний момент для управления вращением антенн РЛС применяются гидроприводы, а также приводы постоянного и переменного тока.

В числе известных недостатков гидравлического привода можно выделить низкую надежность и дороговизну обслуживания, высокий уровень шума и низкую стабильность поддержания скорости.

Достоинством приводов постоянного тока является относительная простота реализации и возможность позиционирования антенны. Несмотря на это приводы постоянного тока в новых разработках РЛС не применяются, т.к. имеют большую массу и габариты, низкий КПД, надежность, а вследствие этого и высокие расходы на обслуживание.

В электроприводах антенн с асинхронными двигателями изменение скорости вращения производится с помощью изменения схемы подключения двигателя или с помощью частотного метода управления. Использование частотного управления приводит к снижению мощности на малых скоростях вращения, а смена скорости вращения путем изменения схемы подключения двигателя обуславливает применение специализированных асинхронных двигателей. Помимо этого, для асинхронных приводов масса и габариты остаются достаточно высокими.

К особенностям современных антенн РЛС подвижных объектов относится высокий момент инерции антенны, высокие значения знакопеременного возмущающего момента (ветровая нагрузка), наличие ограничения максимальной скорости и ускорения антенны, возможность позиционирования с любой скорости вращения с высокой точностью за кратчайшее время.

Разработка электроприводов на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами позволила повысить надежность РЛС, уменьшить время наведения антенны на заданные углы, расширить диапазон скоростей

вращения антенны, сократить время свертывания для подвижных РЛС, снизить уровень шума и потребляемую мощность оборудования [1]. Это удалось достичь благодаря конструктивным особенностям синхронных двигателей [2, 3].

До недавнего времени движение антенн с большой массой и диапазоном скоростей, как правило, осуществлялось с помощью гидроприводов. Основным сдерживающим фактором внедрения электрических приводов оставалась невозможность осуществления регулирования синхронным двигателем по причине отсутствия высокопроизводительных вычислительных устройств и мощных управляемых ключей, способных работать на большой частоте.

Ситуация изменилась с началом выпуска во второй половине XX века мощных полупроводниковых элементов, в том числе тиристоров и транзисторов [4, 5]. Их появление дало толчок к исследованиям в области управления двигателями переменного тока для построения на их основе управляемых приводов. В настоящее время разработаны алгоритмы векторного управления, из которых наилучшими характеристиками обладает частотно-токовое управление, с помощью которого возможно регулировать момент, развиваемый двигателем, путем формирования направления и величины вектора тока статора.

Применение приводов переменного тока для управления движением антенн позволяет сократить периодичность технического обслуживания, повысить надежность РЛС, уменьшить время наведения антенны на заданные углы, расширить диапазон скоростей вращения антенн, сократить время свертывания для подвижных РЛС, снизить уровень шума и мощность потребления оборудования [6, 7].

В значительной мере развитию современных синхронных приводов с векторным управлением в России способствовали работы Рудакова В.В., Шрейнера Р.Т., Онищенко Г.Б., Москаленко В.В., Архангельского А.Л., Виноградова А.Б., Соколовского Г.Г, Бродовского В.А., Чемоданова Б.К. и др.

Из иностранных авторов можно выделить работы I. Takahashi, F. Blashke, J. Holtz, T.A. Lippo, D.W. Novotny, H. Kubota.

Разработки синхронных приводов на протяжении последних нескольких десятилетий велись коллективом «ВНИИ «Сигнал», наиболее активное участие в которых принимали Зезин В.Г., Друговский А.Ю., Сомов А.И., Новоселов Б.В., Беляев A.A., Орлов C.B., Шаталов В.А., Павлов A.A., Лавров Р.В.

В настоящее время разработку приводов переменного тока с векторным управлением ведут такие предприятия как ФГУП «ЦНИИАГ» (г. Москва), ОАО «СКБПА» (г. Ковров), ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (г. Иваново), НПЦ электропривода «Вектор» (г. Иваново) и д.р.

При управлении движением радиолокационных антенн, можно выделить следующие особенности:

- переход из режима вращения в режим позиционирования может производиться с любой скорости вращения антенны;

- при изменении скоростей вращения необходимо ограничивать значение максимального ускорения антенны с целью снижения износа механических частей привода (увеличения ресурса работы системы);

- позиционирование антенны должно производиться за кратчайшее время;

- установка датчиков на опорно-поворотное устройство антенны часто сопряжена с конструктивными затруднениями. Поэтому желательно уменьшить количество используемых датчиков, что также уменьшает и стоимость привода.

Учитывая указанные особенности, при проектировании привода антенны необходима разработка алгоритмов позиционирования и регулирования скорости, обеспечивающих требуемые в техническом задании характеристики. Вместе с тем такие характеристики привода, как плавность движения, КПД, диапазон регулируемых скоростей, удельная мощность зависят от метода

управления синхронным двигателем. Достигаемые на данный момент технические характеристики синхронных приводов еще далеки от теоретически возможных, в том числе и из-за недостаточной проработки алгоритмов регулирования фазных токов. Это обусловлено сложностью математического описания синхронного двигателя с учетом всех действующих факторов, а также трудностью или невозможностью прямого регулирования некоторых физических величин двигателя.

Следует отметить, что задача построения алгоритма регулирования фазных токов синхронного двигателя, оптимального по критерию минимальной ошибки тока или максимального КПД привода, до настоящего момента является нерешенной. Данное обстоятельство ставит в число актуальных вопросов дальнейшего развития привода переменного тока совершенствование алгоритмов векторного управления двигателями для достижения лучших характеристик привода.

Цель работы. Целью работы является повышение технических характеристик приводов антенн РЛС за счет совершенствования алгоритмов позиционирования, регулирования скорости вращения антенны, метода регулирования тока синхронного двигателя при частотно-токовом управлении, а также разработка средств имитационного моделирования синхронных электроприводов.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Провести анализ архитектуры современных управляемых синхронных электроприводов движения антенн и определить требования к их составным частям;

2. Разработать алгоритмы позиционного и скоростного контуров привода антенны с учетом свойств объекта управления (антенны) и накладываемых ограничений;

3. Выявить возможные пути повышения технических характеристик регулятора тока статора синхронного двигателя;

4. Разработать метод регулирования тока статора синхронного двигателя, позволяющего повысить энергетические показатели привода;

5. Разработать имитационную модель синхронного привода, отражающую процессы, происходящие в токовом контуре управления, и подтвердить ее достоверность;

6. Определить эффективность разработанных алгоритмов и метода регулирования тока синхронного двигателя с помощью имитационной модели.

Методы исследований.

- математическая модель привода вращения и позиционирования антенны РЛС выполнена на основе уравнений теоретической механики, методов электротехники, элементов теории автоматического управления, матричного и дифференциального исчисления;

- при имитационном моделировании на ЭВМ привода антенны использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, методы визуального моделирования;

- достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные в работе заключаются в:

1. уточнении математической модели преобразователя частоты на основе выявленных зависимостей значений напряжения ЗПТ от потребляемой мощности, а также учета характера изменения напряжения на силовом ключе в зависимости от схемной реализации управления им.

2. обосновании влияния вводимых нелинейностей ПИ-регулятора скорости на значения ошибки скорости и время приведения антенны на заданный угол.

3. определении способа расчета скорости синхронного двигателя с помощью сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора в условиях низкой частоты работы ЭВМ;

4. доказательстве снижения частоты работы ключей инвертора и общих тепловых потерь в инверторе при использовании разработанного метода регулирования тока статора синхронного двигателя.

Практическая значимость. Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в следующем:

1. Разработанная имитационная модель синхронного электропривода позволяет выполнять расчет статических и динамических характеристик привода с учетом особенностей работы преобразователя частоты со звеном постоянного тока и регулятора тока статора, а также проводить исследования влияния параметров привода на указанные характеристики;

2. Предложенный алгоритм определения скорости вращения ротора синхронного двигателя позволяет отказаться от использования в составе привода датчика скорости;

3. Разработанные алгоритмы позиционного и скоростного контуров позволяют снизить время позиционирования и повысить точность отработки заданной скорости вращения антенны;

4. Разработанный алгоритм регулятора тока статора синхронного двигателя и его программная реализация способствуют повышению качества управления и технических характеристик синхронного привода.

Реализация результатов работы. Полученные при подготовке работы результаты внедрены на ОАО «ВНИИ «Сигнал», ОАО «НПО «ЛЭМЗ», ОАО «ВНИИРТ», что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: заседаниях секции №1 научно-технического совета ОАО "ВНИИ "СИГНАЛ", на смотре-конкурсе научно-технических достижений молодежи ОАО "ВНИИ "СИГНАЛ" (Ковров, 2011 г.), на

Молодежной конференции Московского отделения Международной общественной организации "Академия навигации и управления движением" (Москва, 2009, 2011 гг.), на XII Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов" (Тула, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК министерства образования и науки РФ.

1 Основные принципы построения синхронного электропривода

антенны

1.1 Тенденции развития синхронных приводов радиолокационных

антенн

До конца 90-х годов прошлого века в приводах вращения радиолокационных антенн, в основном, применялись гидроприводы или электроприводы на базе асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока. Началу применения синхронных приводов в области управления вращением антенн подвижных РЛС послужили следующие причины [8]:

- снижение массы и габаритов элементов привода, что является актуальной задачей в условиях ограничений, накладываемых при проектировании подвижных РЛС;

- повышение КПД привода и, вследствие этого, снижение выделяемого приводом тепла и потребляемой мощности от источника питания;

- уменьшение периодичности технического обслуживания привода антенны;

- желание улучшить технические характеристики управления движением антенны с целью повышения характеристик всего радиолокационного комплекса.

Областью применения приводов, описанных дале