автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование силового магнитоэлектрического преобразователя в системе управления электропривода оси сканирования трехосного телескопа

На правах рукописи

Субботин Дмитрий Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОСИ СКАНИРОВАНИЯ ТРЕХОСНОГО ТЕЛЕСКОПА

Специальность 05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления».

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 4 с;;г ш

Санкг-Петербург -2013г.

005535815

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) кафедра Электротехники и прецизионных электромеханических систем.

Научный руководитель:

к.т.н., доц., Толмачев Валерий Александрович, НИУ ИТМО, доцент

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф., Микеров Александр Геннадьевич, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», профессор к.т.н., доц., Шамберов Владимир Николаевич, СПбГМТУ, профессор

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» (ОАО «НПК «СПИ»)

Защита состоится 14 ноября 2013 г. в час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.227.03, на базе Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО), по адресу: г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д49, ауд. Ж

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО

Отзывы по дагаюй работе в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: Россия, 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, НИУ ИТМО, ученому секретарю диссертационного совета Д212.227.03, e-mail: ojiganov@mail.ifmo.ru

Автореферат разослан 1Н октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^/---^fetf Ожиганов А. А.

Су

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

Одной из актуальных задач в области современного электропривода является задача расширения функциональных возможностей трехосных телескопов траекгорных измерений путем повышения точности воспроизведения заданной диаграммы движения электроприводом оси сканирования. Характерными особенностями подобных осей являются ограниченный диапазон регулирования положения и повышенная точность поддержания скорости на рабочих участках диаграммы сканирования. В ряде установок предназначенных для лазерного сканирования, радиолокации, акустической локации, сканирующих устройств тепловизоров и др. также требуются системы управления с ограниченным диапазоном регулирования положения при повышенной точности поддержания скорости в рабочем режиме.

Различия в технических требованиях, предъявляемых к конкретным электроприводам по величинам диапазона углов сканирования, нестабильности скорости на рабочем участке диаграммы сканирования и условиям эксплуатации привели к разработке систем точного позиционирования и поддержания скорости, отличающихся по структуре, типам исполнительных двигателей, техническому решению отдельных блоков и пр. Подавляющее большинство таких реализованных устройств, предназначены для работы в широких диапазонах регулирования углового положения при низких значениях моментов инерции на валу двигателя.

Между тем, для большинства сканирующих осей трехосных телескопов траекторных измерений рабочий диапазон регулирования угла составляет примерно 1-2градуса, а масса установленного на сканирующей оси оборудования может достигать 700кг. Известные автору аналоги сканирующих осей, в частности системы тепловизионного наблюдения, во-первых, практически не описаны теоретически, а во вторых имеют массу менее 3-4 кг.

Это приводит нас к необходимости проведения серьёзных теоретических и экспериментальных исследований, представленных в этой работе.

Цель и задачи работы. Целью работы является теоретический анализ, математическое моделирование и экспериментальное исследование функционирования магнитоэлектрического преобразователя (МЭП) напряжения в угол поворота в системе управления электропривода оси сканирования для системы наведения трехосного инфракраспого (ИК) телескопа с большими моментами инерции на валу. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1) разработка аналитических соотношений для расчега электромеханических переходных процессов в электроприводе и анализ его статических и динамических характеристик;

2) разработка математических моделей и синтез систем управления электропривода оси сканирования;

3) моделирование процессов в режимах сканирования электропривода;

4) выбор рациональной структуры системы управления электроприводом оси сканирования на основе сравнительного анализа статических и динамических характеристик электроприводов, замкнутых как по углу поворота исполнительной оси, так и по угловой скорости;

5) формулирование требований к техническим характеристикам МЭП из условия воспроизведения электроприводом с требуемой точностью заданной диаграммы сканирования при наличии заданного момента сопротивления исполнительной оси.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории электрических цепей, методы теории элеюрических машин, методы теории автоматического управления, методы теории идентификации, методы математического моделирования сложных машинно-вентильных систем с использованием пакета МаАаЬ, методы интерактивной отладки алгоритмов систем автоматического регулирования электроприводов с использованием программного комплекса СБПЭТ (система быстрого прототипирования электропривода телескопа) (гос.рег. № 2009611420 от 12.03.2009).

Научная новизна: Аналитические соотношения для расчёта электромеханических переходных процессов в электроприводе, построенном на основе бесконтактного магнитоэлектрического преобразователя «напряжение-угол поворота», подтверждённые экспериментально; структурные решения систем управления и строгие методики их синтеза, учитывающие конструктивные особенности электропривода на основе МЭП, параметры задаваемой диаграммы сканирования и требования, предъявляемые к точности поддержания скорости на рабочих участках заданной диаграммы сканирования; алгоритмы формирования задающих воздействий на входе электропривода оси сканирования, дополняющие системы управления электропривода и обеспечивающие тем самым воспроизведение с требуемой точностью рабочих участков заданной диаграммы сканирования с учетом ограниченных динамических возможностей энергетических подсистем.

Положения, выносимые на защиту

1. Аналитические соотношения для расчёта электромеханических переходных процессов в электроприводе, построенном на основе бесконтактного магнитоэлектрического преобразователя «напряжетге-угол поворота», подтверждённые экспериментально.

2. Структурные решения систем управления электропривода, обеспечивающие воспроизведение с требуемой точностью рабочих участков заданной диаграммы сканирования и строгие методики их синтеза

3. Алгоритмы формирования задающих воздействий на входе электропривода оси сканирования, обеспечивающих повышение точности воспроизведения диаграммы сканирования с учетом ограниченных динамических возможностей энергетических подсистем

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

- разработаны аналитические соотношения для расчёта электромеханических переходных процессов в электроприводе, построенном на основе бесконтактного магнитоэлектрического преобразователя «напряжение-угол поворота», подтверждённые экспериментально.

- разработаны структурные решения и методики синтеза систем управления, замкнутых по углу поворота и угловой скорости МЭП с нагрузкой, нашедшие практическое применение при настройке электропривода оси сканирования трехосного телескопа траекторных измерений на заводе изготовителе ОПУ ТТИ (ОАО «106 экспериментальный оптико-механический завод»),

- выработаны рекомендации по проектированию электроприводов на основе МЭП, исходя из требуемой динамики привода при заданных моментах статического сопротивления на валу и моментах инерции нагрузки.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы: 1. при разработке и исследованиях систем прецизионного электропривода телескопов траекторных измерений по г/б НИР № 12363 и х/д НИР К» 28828, проводимых по

заказу ОЛО Научно производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения";

2. в учебном процессе при подготовке студентов вуза по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электропривод и автоматика».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях; XL Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011); VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011); XLI Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012); I Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012); XLII Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013);

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах, в том числе в Вестнике Ивановского Государственного Университета, тематических выпусках научно-технического вестника СГ16ГУ ИТМО, материалах указанных конференций, сборнике научных статей СПбГУ ИТМО.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, основные положения, выдвинутые на защиту. Приведена краткая характеристика работы.

Первая глава

Структурное решение системы управления, так же как и предельные динамические характеристики электропривода оси сканирования телескопа определяются статическими и динамическими характеристиками электромеханического преобразователя. В главе 1 проведен анализ статических и динамических характеристик бесконтактных моментных магнитоэлектрических преобразователей (МЭП) с ограниченным углом поворота для приводов сканирования. На основе анализа обоснована целесообразность построения системы управления электропривода, содержащей внутренний контур динамической коррекции для демпфирования слабо затухающих угловых колебаний вала с обратной связью по скорости вала и внешний контур регулирования угла.

Электропривод оси сканирования должен обеспечить движение оси ИК-телескопа (центрального оптического модуля) в пределах малых углов в соответствии с временной диаграммой, представленной на рис. 1.

а"

Рис.1. Диаграмма сканирования

Полный цикл сканирования Тс„ содержит 2 участка рабочего хода (^г и 1з-(4 ) с длительностью ^ и 2 участка нерабочего хода ^¿Чз и 14-15) с длительностью Ц,. Длительность нерабочего хода измеряется между окончанием одного рабочего хода и началом следующего. На участках рабочего хода угол поворота оси (кривая 1 на рис.1.) должен меняться линейно в пределах от -Огр до +агр, а отклонение скорости от эталонной кривой (кривая 2 на рис.1.) не должно превышать заданного значения ДП.

Технические требования в квазиустановившихся режимах сканирования сведены в таблицу 1.

______Таблица 1

Режим сканирования о™' Тек. С 1р,С и, с АП,%

Широкое утл. поле 30 60 2.5 1 0.25 8

Узкое утл. поле 5 10 0.5 0.17 0.08 8

Математическую модель МЭП можно представить матричным уравнением

г

где А =

_ Л I

J О

I /

о

к„

, В =

о !|.У = У

о о

а

и=

мс

и структурной схемой, представленной на рис. 2.

(1.1)

(1.2)

и „

1/К ТэР + 1

Кг

м£ м

1 и 1/р

_

а

Ке

Рис.2. Структурная схема системы «МЭП-исполнительная ось»

Здесь: Я- сопротивление обмотки управления МЭП, /.-индуктивность обмотки управления, Ке- крутизна противоЭДС МЭП, / суммарный момент инерции оси сканирования,/ -коэффициент внутреннего демпфирования, мс -момент сухого трения, где М-=Мсо 51'ер(0), „ (1М

К^ =—~ - жесткость механической характеристики или жесткость «мггнитнои пружины», Ла

К, — - жесткость моментной (тяговой) характеристики или чувствительность по току. В

приведенных уравнениях и и 1 - соответственно напряжение и ток на обмотхе управления

МЭП, а и £2 = - соответственно угол поворота оси и скорость вращения. Л

По данным разработчика исследуемого преобразователя! система «МЭП-исполнительная ось» обладает следующими параметрами: К« = 4500 Нм/рад; К.1 = 120 Нм/А; Г=0; Кс = 1.5 Вс/рад.; Ь=0.6 Гн; КМ4 Ом. Суммарный момент инерции ротора с нагрузкой принят равным 236 кгм2 (.1=236), значение статического момента нагрузки на оси не должно

превышать Мс=25 Нм, максимально допустимое напряжение на обмотке управления

ишгс=48В. ;

При отсутствии внутреннего демпфирования (^0) структурную схему «МЭП-механизм» можно представить:

Ке

Рис.3. Структурная схема системы «МЭП-исполнительная ось», при £=0.

Как видно, в состав структурной схемы входит консервативное колебательное звено с резонансной частотой <у0 =

Ввиду малого значения момента вязкого трения, демпфирование колебаний в системе «МЭП- исполнительная ось» может осуществляться только за счет внутренней электромеханической обратной связи через противоЭДС МЭП.

[А] а, [рад] А, [1/с] 0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 (,с Рис.4. Электромеханические переходные процессы в ЭМП

На рис.4, приведены результаты моделирования реакции тока i [а] (кривая 1 в масштабе 1:1), угла поворота а [рад] (кривая 2 в масштабе 10:1) и скорости П [1/с] (кривая 3 в масштабе 5:1), МЭП на скачок напряжения управления и величиной 10 В. Время указано в секундах.

Моделирование проводилось на основе векторно-матричпой модели (1.1). Период свободных колебаний Тс. = 1.55 е., что соответствует угловой частоте свободных колебаний Шсв = 4.05 с"1. Время затухания колебаний близко к 90 с.

С учетом индуктивности обмотки управления статические и динамические свойства исследуемого МЭП можно охарактеризовать следующими шестью передаточными функциями:

Пр) __}рг + Ка__ Кр) =_К*Р_;

ЩР) Лр1, + Л{р2+{1Ка + К,Кс)р + ЕКа' МАР) Лр3 + Жр2 + (1Ка+К1К1.)р + 1{Ка'

Щр).

К,р

П(р)

(Ьр + И)р

д(р) =_к,__= __(1-р + К)_

и(р) лРъ \^яр1+(ька+к,к1:)р+кка ' мЛр) лр)+жр2+(и<;а + к,ке)р+ кка

Анализ полученных передаточных функций показывает, что

• Установившееся значение тока в обмотке управления пропорционально напряжению и не зависит от момента нагрузки на оси;

• Установившееся значение скорости равно нулю независимо от величины постоянного напряжения на обмотке и от момента нагрузки на оси;

• Установившееся значение угла поворота пропорционально напряжению на обмотке управления и падает с ростом момента нагрузки на оси.

Ввиду малого значения коэффициента противоЭДС - Ке, реакции скорости и угла (электромеханические переходные процессы) длятся десятки секунд и носят слабозатухающий колебательный характер. Скорость практически не влияет на характер тока и в переходном режиме. Для демпфирования колебаний целесообразно введение отрицательной обратной связи по скорости вращения исполнительной оси. Дополним структурную схему, представленную на рис.2., контуром регулирования скорости (контуром

Рис.5. Структурная схема ЭМП с корректирующей связью

В зависимости от величины ипдуктивности обмотки управления Ь в качестве регулятора может использоваться либо П-регулятор (при малых значениях постоянной времени Те), либо ПД-регулятор (при больших значениях постоянной времени Те для её компенсации).

Представляя векторно-матричную математическую модель привода для системы с П-регулятором в виде (1.1) получим:

I

J О

+ кдскп\

I

J

1

о

J О

в=

(к ^ I

о I

У

о о

, У =

п

, и =

"за Мг

(1.3)

где Кдс и К„1 - соответственно коэффициенты передачи датчика скорости и П- регулятора

Перепишем наиболее важные передаточные функции, с учётом влияния демпфирующего контура:

К,Ктр

а(р)

_ад_=_

изп(р) л.ръ+л;р2+(1ка + К/Кг:1КдС)р+нка мс(р) лръ+жр2+(1ка +кгкткдс)р+ нка

Анализируя полученные передаточные функции, можно установить, что установившееся значение скорости равно нулю независимо от величины напряжения задания и^.и момента статической нагрузки на оси.

При времени электромеханических переходных процессов во много раз превышающих постоянную времени обмотки управления не наблюдается ни влияния характера изменения тока обмотки управления МЭП на характер и время электромеханических переходных процессов, ни влияния электромеханических переходных процессов на характер и время изменения тока в обмотке управления. В таком случае без большой погрешности для анализа характера и времени переходных процессов можно использовать математическую модель (1.1) при Ь-О.

Вводя обозначения

К^Кдс + Ке/КпЬ кЬ-К"^'К'е

9 * 9

получим характеристическое уравнение системы в виде р +КаР+а»д = 0, где корни

определяются формулой: р^ = +

Поскольку параметр кЬ может изменяться варьированием коэффициентов К„1 и Клс, то в данной двухконтурной системе можно организовать как апериодический переходный процесс, так и колебательный.

При условии Кдс » Ке и А'п>2ю0 передаточные функции внутреннего контура по задающему и^ и возмущающему Мс воздействиям принимают вид:

П(р) __^¿р__П(р) _ р (14)

изО(Р) (Т1Р+1ХТ2Р+#ДС®02'МС(Р) ^Лт^Р+ОЙгР+О где Т1= тос1(1/р1), Т2= пкх1(1/р2), а переходные процессы в системе носят апериодический характер. Здесь следует отметить, что с ростом коэффициента передачи П - регулятора К„1 время переходного процесса увеличивается при сохранении его апериодического характера.

[А] а, [рад] П,[1/с]

6 4

2 0

О 15 1 1.5 2 2.5 3 15 1:,с

Рис.6. Электромеханические переходные процессы в ЭМП с контуром динамической

коррекции.

На рис.6, приведены результаты моделирования реакции тока 1 [А] (кривая 1 в масштабе 1:1), угла поворота а [рад] (кривая 2 в масштабе 10:1) и скорости П [1/с] (кривая 3 в масштабе 5:1), в одноконтурной системе управления скоростью МЭП на скачок напряжения управления и величиной 10 [В] при К„(=12 и Кдс=20. Время указано в секундах.

...... — - ■■V

¿г 3 1 1

Моделирование проводилось на основе векторно-матрячной модели (1.3). Как видно из рис.6, время переходных процессов уменьшилось до 1,5 с, при их апериодическом характере.

Проведенный анализ динамических характеристик на основе полученных передаточных функций системы «МЭП-механизм» как при наличии контура демпфирования, так и без него, позволяют обоснованно подойти к разработке математических моделей и синтезу систем управления электроприводов сканирования, замкнутых как по углу поворота исполнительной оси, так и по скорости её вращения.

Вторая глава

Во второй главе проводится исследование режимов сканирования в системе управления, замкнутой по углу поворота исполнительной оси. Приводятся математические модели, позволяющие анализировать работу систем управления в зависимости от конструктивных параметров МЭП, момента сил сухого трения на валу двигателя, выбранной структуры и различных способах формирования задающего воздействия

Структурная схема двухконтурной системы управления положением изображена на рис.7. Штриховыми линиями обозначена система «МЭП-механизм» (см. рис.2) и её выходные координаты Я,<х

Контур динамической коррекции содержит П-регулятор (ПД-регулятор) с коэффициентом передачи К„1 и датчик скорости с коэффициентом передачи Кда. Контур регулирования угла содержит ПИД-регулятор с коэффициентом передачи К„2 и датчик угла поворота МЭП с коэффициентом передачи Кд ,-.

_ Мс I

гг --- и ----

изП

и.,

и*

пид

регулятор

иа

П

регулятор

МЭП

Рис. 7. Структурная схема углового контура

Дополнив векторно-матричную математическую модель привода (1.3), описывающих поведение внутреннего скоростного контура, приведенную в главе 1, уравнениями состояния ПИД регулятора, представим описание рассматриваемой структуры в векгорно-матричной форме (1.1), где Ут = |г €1 а ур^ Урз], Ур1 и Ур2 - выходные сигналы интеграторов детализированной структурной схемы (ДСС) ПИД - регулятора с дополнительной инерционностью (см. рис.8.), ит = [(Ум А/с],

д ке +кдскп1

А =

Кп\КП2КдуТд

кт^пгКду(Тд КтКп

1 ь 1-ту ¿•гу2

в. _£ 0

У

0 1 0 0 _ 1 т 1 V

0 0 -кду

0 0 0 1

ЬЪ-Ты о о о

о

в=

1-Ту

о

0

1 о

о

о о 0;

Кп2'Тд/Т»

1/р

ш;

Ур1

► Кп/Г,

1/р

Ь2,

Кп2/Тд-Ти

Рис.8. ДОС ПИД-регулятора

В работе получены соотношения для выбора параметров ПИД-регулятора, обеспечивающих настройку контура регулирования угла на технический оптимум.

Обычно ПИД регулятор реализуем при условии Ти> Тл. Поэтому расчет этих постоянных (настроек регулятора) целесообразно осуществлять по формулам:

Ти = Кп /.а>1,Тд = иКо, Кп2 = г~~~ .где Т„ =Те + Т,

1/;Кду

Параметрический синтез системы управления электропривода проводится в следующем порядке. После определения резонансной частоты шо, выбираем значение коэффициента передачи К и из условия обеспечения Т1>(3-4)Тг и находим значение коэффициента К„1. Далее находим параметры ПИД-регулятора угла Т„, Тд и К^. При заданном времени переходного процесса в системе ^ некомпенсированная постоянная времени Тц может быть вычислена как Тогда требуемая постоянная времени

дополнительного инерциотшого звена ПИД-регулятора Ту может быть определена как Т„-Те.

Параметры регулятора, обеспечивающие настройку на технический оптимум: К„г=12, Кдс=20, К„2=30, Ти=0.52 с, Тд=0.107 с, Ту=0,033.

Результаты моделирования установившихся режимов сканирования при слежении системой за задающими воздействиями в виде заданных временных диаграмм сканирования, соответствующих кривой 1 па рис.1., при нулевом моменте нагрузки Мс показали, что в двухконтурной системе регулирования угла требования к поддержанию максимально допустимого отклонения по скорости и максимально допустимому напряжению на обмотке управления обеспечиваются только в режиме широкого углового поля. При сканировании в режиме узкого углового ноля не соблюдаются требования к точности под держания скорости: форма графика скорости близка к синусоидальной, что недопустимо.

Одним из возможных способов повышения точности поддержания скорости на рабочем участке является формирование альтернативного задающего воздействия.

Необходимо так сформировать задающее воздействие, чтобы на рабочих участках угол поворота исполнительной оси менялся линейно с задапной скоростью, а на нерабочих участках при переходе от одного рабочего участка к другому движение происходило бы с минимальными скоростями и ускорениями.

Один из вариантов построения такого задающего воздействия - синтез задатчика, обеспечивающего скачкообразное изменение производной от ускорения с целью

обеспечения форсированного разворота объекта за нерабочий отрезок времени Программа изменения угла поворота объекта в этом случае получится в результате трёхкратного интегрирования производной от ускорения. Схема моделирования задающего устройства в системе 5тш1шк приведена на рис.9. Отметим, что преобразование БтнШпк-модели в коды стандартных контроллеров не вызывает принципиальных затруднений.

На рисунке: 1 - блок формирования производной от ускорения через сумму входных воздействий прямоугольной формы (типа меандр), 2 - интеграторы для последовательного получения графика изменения угла, 3 - блок вывода графика изменения угла, 4 - блок смещения результата интегрирования последнего интегратора симметрично относительно оси времени при помощи добавления константы, 5- смещение, обеспечивающие нулевое значение ускорения на всех рабочих участках задавания.

Характер изменения скорости понятен из рис. 10. На рабочем интервале (11-12, Ц^) скорость остабтся строго постоянной. График задающего воздействия, представленный на рис. 11, получается в результате интегрирования графика скорости, рис. 10. Для ликвидации скачка задания в момент пуска постоянное смещение подаётся через апериодическое звено с малой постоянной времени. В результате начальное значение задающего воздействия остаётся равным нулю, а постоянное смещение нарастает плавно. По истечении времени, примерно равного половине периода изменений задающего сигнала, график этого сигнала принимает необходимый вид.

0,41-'-; л ; ; -

:ЕЕЁН5:::

-0.4 -1-'-'-'-1-

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 t,c Рис. 10. График изменения скорости задающего воздействия

На рис.12, представлены графики изменения основных координат двухконтурной системы регулирования угла в квази установившемся режиме сканирования в широком угловом поле, при использовании синтезированного выше задагшка и параметрах ПИД-регулятора, обеспечивающих настройку на технический оптимум.

На рисунке: 1 - кривая угла задавания a3(t) в масштабе 1:1, 2 - угол поворота сканирующей оси a(t) в масштабе 1:1,3- скорость вращения оси fi(t) в масштабе 1:1, t\- fc, hU - нерабочие участки диаграммы сканирования, ¡г- h, U- ts - рабочие участки диаграммы сканирования.

'Л

\ _ , ______1 7

0.2 0 -0.2 -0.4

| ! : 'М1! 1

.....'-...Л,......:........... /тТк

tl . 1..1.Ч;.....

: 11 1 ; Xх П 1 ] 1 1 Г 1

>х1 1 у \ .......ч\............1

\ \ ГТ1 ; • 1

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 с

Рис. 11. График изменения задающего воздействия

а,, [град] а„, [град] П, [град/с] 0.5

2.5 3.0 3.5 4.0 4,5 Рис. 12. Графики координат электропривода при сканировании в широком поле.

Анализ графиков рис.12., показывает, что полученная система ре1-улирования положения отвечает предъявляемым требованиям по допустимому напряжению и поддерживает постоянную скорость в пределах 8% на рабочих участках диаграммы сканирования в широком поле, однако при предъявлении повышенных требований к постоянству скорости могут возникнуть проблемы.

Полученные в данной главе результаты однозначно указывают, что для выполнения требований поддержания скорости на рабочем участке надо кардинально пересматривать требования к системе управления: при построении системы приоритетными должны был, требования к точности поддержания скорости.

Третья глава

В трегьей главе проводится исследование режимов сканирования в системе управления, замкнутой по скорости исполнительной оси. Приводятся математические модели различных структур систем поддержания скорости на рабочем участке диаграммы сканирования, разработанные автором, и их сравнительных анализ на основе математического моделирования в пакете Ма&аЬ, обоснована целесообразность применения двухконтурной системы управления скоростью с ПД-регулятором во внутреннем контуре демпфирования и внешним контуром регулирования скорости с ПИ и И -регуляторами.

В ходе работы была предложена векторно-матричная модель и методика синтеза одноконтурной системы управления электропривода оси сканирования (см. рис.5) с ПД-регулятором из условия обеспечения заданной относительной погрешности Д в конце рабочего участка диаграммы сканирования

Передаточная функция ПД- регулятора: кл<тдр+»

^пд(Р)--

(3.1)

ТуР+1

где к„ - коэффициент передачи; Гд - постоянная времени дифференцирования и Г, -постоянная времени дополнительного инерционного звена. Компенсация электрической

постоянной времени осуществляется выбором Тд=Те.

Специфика синтеза системы управления скоростью МЭП - обеспечение заданной точности поддержания скорости на рабочем участке диаграммы сканирования в условиях принципиально стремящейся к нулю скорости.

В основе синтеза лежит такой выбор коэффициента передачи К„, при котором процесс спада скорости на рабочем участке диаграммы сканирования описывается выражением

£2(0 = П,-у .[ex^-t/T,)-exp(-i/r2)],

к'

где ilf= UJK№ - заданное значение скорости, у =-5-.

е>1(Т\-Т2)

Следует отметить, что при достаточно больших значения К„ значение у близко к 1.

При Т\»Тг и Т\» /р процесс падения скорости без большой погрешности можно считать линейным с ускорением - iîj-y/7'i. Тогда к концу рабочего участка скорость упадет на величину П37'/р/Г|, а относительная погрешность поддержания заданного значения скорости составит величину Д= ip/TV Задаваясь допустимой погрешностью Д, определяем требуемое значите постоянной времени 7'i и находим требуемое значение коэффициента К q по формуле Кп = (<Ур + £?)tp /Д. Тогда значение коэффициента передачи А"„: к _ KqJR

Kj/Сдс

На рис.13 представлены результаты моделирования процессов в системе, синтезированной из условия обеспечения погрешности Д=5% ( Кп=390, Ti=20 с, Т:= 0.025 с, 7=1). Здесь: 1 - кривая задания скорости ft,(t) в масштабе 1000:1, соответствующее диаграмме сканирования, 2 - кривая скорости вращения оси fi(t) в масштабе 1000:1, 3 -сканирующей оси a(t) в масштабе 1000:1, 4 - напряжение на обмотке управления МЭП и в масштабе 1:10, 5 - ток в обмотке управления i в масштабе 10:1.

Д,, 1/с

Снижение ошибки на рабочем участке связано с повышением коэффициента передачи регулятора Кп. Однако повышение Ки приводит к росту амплитуды всплесков напряжения и на выходе ПД-регулятора на границе смены рабочих участков диаграммы сканирования. Дело в том, что такая система является статической по задающему воздействию, и, следовательно, ей свойственна ошибка, пропорциональная скорости изменения сигнала задания на нерабочем участке диаграммы сканирования. Поскольку скорость задания при смене участков меняется практически скачком, скачком изменяется и ошибка на входе ПД-регулятора. Этим обусловлены и всплески напряжения на обмотке управления.

В ходе моделирования режимов сканирования при Мс=0 были установлены минимально реализуемые ошибки, при которых значение амплитуды всплеска напряжения на обмотке управления МЭП не превышает предельно- допустимого значения 48 В: при

сканировании в широком угловом поле может быть реализована погрешность не менее 5%, а при сканировании в узком поле - не менее 2%. При Мс;/-0 в моменты изменения знака скорости появляются дополнительные всплески напряжения, амплитуда которых растет с роегом Мс.

Одним из путей повышения точности при обеспечении предельно допустимого напряжения на обмотке управления МЭП является, как уже говорилось, формирование траектории движения на нерабочем участке так, чтобы подход к рабочему участку и выход с него осуществлялся с нулевым ускорением.

Траектория движения на нерабочем участке сформирована так, чтобы подход к рабочему участку и выход с него осуществлялся с ускорением, максимально приближенным к нулевому, в соответствие с формулой:

11,(1) = (1-1-ехр(-Лт -¡5т(бУ3 ■/)), (3.2)

где Ат -позволяет регулировать крутизну задающего воздействия на нерабочем участке, а, -задавать длительность рабочих и нерабочих участков.

Промоделируем систему, используя предложенную траекторию движения в качестве входного сигнала при сканировании в режиме широкого углового поля. Для данного случая: Лт =8, ©з =4.49 1/с.

Результаты моделирования представлены на рис.14, при Мс=25 Нм. Здесь 1 - заданное значение скорости Ц, в масштабе 1000:1; 2 - диаграмма скорости £1, полученная на модели в масштабе 1000:1 (рад/с); 3 - угол поворота вала МЭП а в масштабе 1000:1; 5 - напряжение на обмотке управления и в масштабе 1:2

Рис.14. Диаграмма моделирования режима сканирования в широком угловом поле при задающем воздействии, сформированным в соответствии с формулой (3.2)

Как явно видно из графиков, скачки напряжения на обмотке управления при подаче задания, сформированного по формуле (3.2) в моменты смен участков диаграммы сканирования, как и предполагалось, исчезли, а амплитуды всплесков напряжения в моменты смены знака скорости достигают величины 24 В.

Несмотря на полученные положительные результаты, рассмотренная система управления является статической по возмущающему воздействию и при наличии значительного момента типа «сухое трение» наблюдается увеличение погрешности поддержания скорости на рабочем участке диаграммы сканирования, граничащее с максимально допустимым отклонением по скорости. Это приводит к необходимости поиска альтернативных структур систем управления.

Более радикальный путь - введение второго (внешнего) контура регулирования скорости с регулятором, обеспечивающим повышение порядка астатизма как по задающему, так и по возмущающему воздействию в виде момент а нагрузки типа «сухое трете».

Рассмотрим двухконтурную систему регулирования скорости, представленную на рис.15.

Регулятор

\Ур2(р)

ип

иа

Регулятор WIU(p)

и

мэп

кД1

п

Рис.15. Двухконтурная система регулирования скорости.

Пусть структура внутреннего контура регулирования скорости остаётся без изменений и постоянная времени Тд выбрана из условия Тд=Те. Во внешнем контуре используем регулятор с передаточной функцией

(3.3)

Г ( ) = Ь2«к1±I). Ти2Р

Такой регулятор, реализуемый, например, в виде последовательно соединённых ПИ и II регуляторов, обеспечивает астатизм первого порядка контура по задающему воздействию и астатизм второго порядка по моменту нагрузки Мс и позволяет осуществить настройку контура на технический оптимум.

Настройка контура заключается в выборе таких параметров регулятора, при котором передаточная функция разомкнутого контура соответствует эталонной:

^(Р)=1Т ,1 (3-4)

где Гц - некомпенсированная постоянная времени, определяющая расчетпое время переходного процесса в системе при реакции на скачок напряжения задания как Ц,= 4.7Т,1

Эквивалентная структура внешнего контура регулирования скорости с регулятором, имеющим передаточную функцию (3.3) представлена на рис. 16. Регулятор Рг изображён на этом рисунке в виде ДСС с выходными переменными интеграторов уР2 и урз.

Рис. 16. Расчетная структурная схема внешнего контура регулирования скорости

Поскольку во внутреннем контуре с передаточной функцией (1.4) Т|> Тг , то постоянную времени Т] следует компенсировать выбором Т„2=Т|, а некомпенсированную постоянную времени сформировать как ТЦ=Т2+Т„ где ТУ«Т2—постоянная времени дополнительного инерционного звена ПД-регулятора внутреннего контура системы, не учтенная ранее. Тогда передаточная функция разомкнутого внешнего контура примет вид:

VЛр) =

К„

1

Кг

Сравнивая полученную передаточную функцию с эталонной (3.4), получим условие для

_

выбора коэффициента передачи К,а в виде: Кп

(3.5)

Теперь можно сформулировать достаточно строгую методику синтеза системы управления из условия обеспечения заданного времени переходного процесса при известных параметрах МЭП:

-определяется требуемое значение постоянной времени 'Гц по формуле (3.4) и далее значение постоянной времени Т? из Тр=Т2+Т„;

1 2

- находим значение коэффициента Кп как Кп = — + Г2ю0 ;

Т2

- определяем значение K„i как Кп1 =

К1КДС

- зная требуемое значение постоянной времени Ti получим, следовательно, постоянную времени интегрирования T„2=Ti.

- по формуле (3.5) определяем требуемый коэффициент передачи регулятора К„2.

Векторно-матричная математическая модель электропривода может быть представлена уравнением (1.1), где liT =[и,а2 Wc] Y1 = [/ ii a yp] yp2 ург\ ypi -выходной сигнал интегратора ДСС ПД-регулятора с передаточный функцией (3.1), А -квадратная матрица размера 6x6 с элементами а^ , В - прямоугольная матрица размера 6x2 с элементами bit. Элементы матриц определяются следующими выражениями: R Ке+КдСКп{Гд К,а(Тд-Т„) _ КП,КП2ТД

«ц=-у> а12 =-

К,

LT„

Z.7Y

К„

аъ2

= <*56=bsi = l,b22 = -j,

-к п 1 „ -К

~~КДС> а44 45 -гг

iv ' i

п 2

.«16 = -

LT„

, <*А6 = К„2, а6

И 2

-- а52 = as) = = b52 = b62 ■

а54

= 0,

-а55 = а61 =0,

д13 = я24 = °25 = а26 =а31 =аП ="з 4 =я35 =а16 = а41 =<¡43 =а51 °63 = °64 =«65 =°66 =0,Ьц =¿12 =621 =&31 =¿32 = 641 =¿42 =651

На рис.17, представлены результаты моделирования процессов при сканировании в широком угловом поле электропривода с использованием математической модели двухконтурной системы управления, синтезированной по предложенной выше методике из условия реализации переходного процесса с временем 0.15 с. Параметры системы: Т7=1 мс, Тд= 57 мс, Т,,=4 мс, Т2= 3 мс, Т1=Т„2=18.5 с, К„1=364.6, Кп2=125. Кривые 1-5 соответствуют кривым рис. 13. в аналогичном масштабе. Пз, 1/с П, 1/с

0 1 2 3 4 /,с

Рис 17. График изменения основных координат двухконтурной системы регулирования ! скорости при сканировании в широком угловом поле.

Сравнение результатов моделирования процессов при сканировании в режиме широкого углового поля при одинаковых параметрах МЭП и нагрузки для одноконтурной системы и полученной двухконтурной системы регулирования скорости показало, что в последней скорость на веем протяжении рабочего участка диаграммы сканирования поддерживается постоянной и равной заданной и при этом отсутствуют всплески напряжения на обмотке

управления МЭП в моменты смены участков диаграммы сканирования. Таким образом, полученная система регулирования скорости отвечает предъявляемым требованиям и по допустимому напряжению на обмотке управления, и по точности поддержания скорости на рабочих участках диаграммы сканирования.

Четвёртая глава

В четвёртой главе приводится описание энергетической и информационной подсистемы электропривода, его основных блоков, а также результаты экспериментальных исследований электропривода оси сканирования, изготовленной по заказу ОАО НПК СПП, на стенде 106-го экспериментального оптико-механического завода. В качестве усилительно-преобразовательного устройства (УПУ) применён широтно-импульсный преобразователь напряжения с частотой коммутации силовых ключей ЮКГц и максимальным выходным напряжением (напряжением насыщения) 48 В и максимальным током 3 А. В качестве датчика угла и скорости использовался оптический энкодер фирмы Renishaw с разрешающей способностью 0.05 утл. сек.

Экспериментальные исследования показали, что реальные параметры системы «МЭП-механизм» отличаются от расчётных: R= 14 Ом; L=0.6 Гн; Те=0,0425 с; Ki = 84.5 Им/А.

На рис.18 представлены результаты работы электропривода оси сканирования с одноконтурной системой регулирования скорости, синтезированной из условия обеспечения погрешности Д=5% при подаче сигнала задания, соответствующего кривой 2 на рис.1. Здесь: 1 - кривая задания скорости ii,(t) в масштабе 1:1, 2- кривая скорости вращения оси iî(t) в масштабе 1:1, 3- кривая угла поворота сканирующей оси a(t) в масштабе 1:1. t\- h, h- h, /5- h - нерабочие участей диаграммы сканирования, h- h, и- /5 - рабочие участки диаграммы сканирования.

Рис.18. График изменения основных координат одноконтурной системы регулирования скорости в установившемся режиме сканирования в широком угловом поле.

При работе системы в режиме широкого поля максимальное отклонение скорости на рабочем участке диаграммы сканирования от заданпого значения не превысило 8%, при этом в процессе сканирования УПУ не выходило в насыщение. Скорость спадала до расчётных значений 5-6% для положительной части трапеции и 7-8% для отрицательной. Это связано с недостаточной балансировкой оси и неточностью установки оси датчика относительно ротора МЭП.

Проведённые на реальном объекте опыты показали, что в моменты реверса, а также при смене рабочих/нерабочих участков диаграммы сканирования в режиме узкого поля преобразователь выходит в насыщение: напряжение на обмотке управления достигает максимума 48В. Это объясняется наличием чрезмерных моментов сил «сухого трения» на валу ротора. В ходе проведённых испытании и работы комиссии по выяснению причины наличия подобных моментов, было определено значение момента сил сухого трения Мс = 75

Нм (при расчётных 25 Нм). При наличии подобных моментов, настроить реальную систему возможно только для работы в широком угловом поле.

Для обеспечения заданных точностей сканирования для режима сканирования в узком угловом поле необходимо снизить момент сухого трения Мс до расчётных значений, либо установить инвертер с более высоким напряжением насыщения.

На рис.19 представлены результаты работы электропривода оси сканирования с двухконтурной системой регулирования скорости, синтезированной из условия обеспечения заданного времени переходного процесса 11ф=0,15с с использованием мегодики, изложенной в главе 3, при подаче сигнала задания, соответствующего кривой 2 на рис. 1. Здесь: 1 - кривая задания скорости ГЦО в масштабе 1:1,2- кривая скорости вращения оси П(0 в масштабе 1:1, 3- кривая угла поворота сканирующей оси а(0 в масштабе 1:1. /г 1%, Iз- и, «в - нерабочие участки диаграммы сканирования, ¡2- Ь, и-1$ - рабочие участки диаграммы сканирования. П„ [град/с] П, [град/с] а, [град] 0.5

О

-0.5

-1

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

Рис.19. График изменения выходных координат двухконтурной системы регулирования скорости при сканировании в режиме широкого углового поля.

Как видно, выход на установившийся режим носит затухающий колебательный характер. Однако максимальная амплитуда колебаний, на рабочем участке диаграммы сканирования не превышает 8%. Анализ процессов показал, что причиной появления колебаний является нежёсткость конструкции механизма оси сканирования, связанная с недостаточно качественным её исполнением.

Заключение

В ходе работы были получены аналитические соотношения для расчета электромеханических переходных процессов в электроприводе и проведен анализ его статических и динамических характеристик. Были разработаны структурные решения и строгие методики синтеза систем управления замкнутых как по углу поворота, так и по угловой скорости МЭП, нашедшие практическое применение при настройке электропривода оси сканирования трехосного телескопа траекторных измерений на заводе изготовителе ОПУ ТТИ (ОАО «106 экспериментальный оптико-механический завод»). Были разработаны алгоритмы формирования задающих воздействий на входе электропривода оси сканирования, обеспечивающие повышение точности воспроизведения диаграммы сканирования с учетом ограниченных динамических возможностей энергетических подсистем как для систем замкнутых по углу поворота, так и для систем замкнутых по угловой скорости МЭП. На основе анализа практической реализации полученных структур и методик были выработаны рекомендации по проектированию электроприводов на основе МЭП, исходя из требуемой динамики привода при заданных статическом моменте сопротивления и моменте инерции нагрузки на валу МЭП.

♦-> А ■ -Л

Основное содержание диссертации опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Толмачев В. А., Субботин Д. А. Синтез системы управления электропривода сканирующей оси инфракрасного телескопа // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО.-2011.-№5(75). -С.53-57. - ISSN 2226-1494

2. Толмачев В.А., Субботин Д.А. Одноконтурная система управления оси сканирования инфракрасного телескопа с пропорционально -дифференциальным регулятором скорости // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптшш-2012,-№3(79). - С. 73-78. - ISSN 2226-1494

3. Дроздов В.Н., Толмачев В.А., Субботин Д.А. Задатчик реверсивного электромеханического развертывающего устройства // Вестник ИГЭУ. - Иваново, 2012. -Вып. 6. - С. 122-126 - ISSN 2072-2672.

4. Дроздов В.Н., Толмачев В.А., Субботин Д.А. Система управления реверсивным электромеханическим развертывающим устройством // Вестник ИГЭУ. - Иваново, 2012. - Вып. 6. - С. 127-130 - ISSN 2072-2672.

5. Толмачев В.А., Субботин Д.А. Астатическая система управления скоростью электропривода оси сканирования трехосного телескопа.// Вестник ИГЭУ,- Иваново, 2013. - Вып. 4. - С. 58-63 - ISSN 2072-2672

в прочих изданиях:

1. Субботин Д.А. Исследование режима сканирования инфракрасного телескопа // Вестник научно-технического развития: Интернет-журнал. - № 7 (47). - 2011 г. -0421100120V0030.

2. Субботин Д.А. Система управления электропривода оси сканирования инфракрасного телескопа // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. - Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2011. - Вып. 2. - С. 249.

3. Субботин Д.А. Проблемы повышения точности воспроизведения диаграммы сканирования электроприводом на основе бесконтактного магнитоэлектрического преобразователя с ограниченным углом поворота // Сборник тезизов докладов конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012. - Вып. 2. - С. 284-286.

4. Субботин Д.А. Формирование задающего воздействия ввиде трапецеидальной диаграммы сканирования // Альманах научных работ молодых ученых НИУ ИТМО. -Санкт-Петербург, 2012.

5. Субботин Д.А., Сергеева М.Е. Оптимальное управление движением следящего электропривода с трёхмассовой исполнительной осью и его моделирование в среде MATLAB // Альманах научных работ молодых ученых НИУ ИТМО. - Санкт-Петербург, 2012.

6. Субботин Д.А., Смирнов H.A. Наблюдатель возмущений в системе управления скоростью следящего электропривода // Альманах научных работ молодых ученых НИУ ИТМО. - Санкт-Петербург, 2012.

Разрешено к печати диссертационным советом Д212.227.03

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, г. Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел. (812) 233 4669 Объем 1 п л. Тираж 100 экз.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО)

На правах рукописи

04201365125

Субботин Дмитрий Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОСИ СКАНИРОВАНИЯ ТРЕХОСНОГО ТЕЛЕСКОПА

Специальность 05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления».

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель к.т.н., доцент, Толмачев Валерий Александрович

Санкт-Петербург 2013г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ «НАПРЯЖЕНИЕ-УГОЛ ПОВОРОТА»......................................................................................17

1.1 Основные режимы работы электропривода сканирования и их

параметры..................................................................................17

1.2 Известные системы сканирования.................................................18

1.2.1 Системы лазерного сканирования..........................................19

1.2.2 Системы тепловизионного наблюдения..................................24

1.3 Математические модели и динамические характеристики электромеханического преобразователя...............................................28

1.3.1 Одномассовая модель системы «МЭП-механизм».....................28

1.3.2 Двухмассовая модель системы «МЭП- механизм».....................33

1.4 Демпфирование свободных колебаний оси ЭМП..............................36

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ СКАНИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ, ЗАМКНУТОЙ ПО УГЛУ ПОВОРОТА ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОСИ.............................................................................................45

2.1. Система подчинённого регулирования угла......................................45

2.1.1 Синтез подчинённой системы управления углового контура.........45

2.1.2. Математическое моделирование процессов в угловом контуре

в режиме слежения за трапециидальным сигналом задания....................50

2.2. Формирование альтернативных задающих воздействий для системы, замкнутой по углу поворота ротора.....................................................53

2.2.1. Формирование задающего воздействия в виде суммы гармонических составляющих трапециидальной диаграммы сканирования.....53

2.2.2. Математическое моделирование процессов сканирования при значении индуктивности обмотки управления £=0.03Гн...........................57

2.2.3. Математическое моделирование процессов сканирования при значении индуктивности обмотки управления /,=0.6Гн..............................62

2.2.4. Алгоритм формирования программной траектории с непрерывным во времени ускорением задавания.......................................................64

2.2.5. Математическое моделирование процессов сканирования при значении индуктивности обмотки управления 1,=0.6Гн.............................70

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ СКАНИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ, ЗАМКНУТОЙ ПО СКОРОСТИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОСИ.... 73

3.1. Системы управления, замкнутые по скорости исполнительной оси.......73

3.1.1 Одноконтурные системы с П и ПД-регуляторами скорости...........73

3.1.2 Двухконтурная система с ПД- регулятором во внутреннем контуре и двумя ПИ- регуляторам во внешнем.................................................85

3.1.3 Двухконтурная система с ПД- регулятором во внутреннем контуре и ПИ+И регуляторами во внешнем......................................................92

3.2. Формирование задающего воздействия для системы, замкнутой по скорости........................................................................................99

3.2.1. Формирование задающего воздействия с нулевыми значениями ускорения при смене рабочих участков диаграммы сканирования...............100

3.2.2. Алгоритм формирования программной траектории с непрерывным во времени ускорением задавания для системы управления, замкнутой по скорости.......................................................................................101

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОСИ СКАНИРОВАНИЯ.............104

4.1. Функциональная схема электропривода оси сканирования................104

4.2. Экспериментальное исследование электропривода оси сканирования

ИКТ «Берет-06»..............................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Системы управления движением прецизионных электроприводов квантово-оптических комплексов нового поколения содержат энергетические и информационные подсистемы, отличающиеся разнообразием как инфраструктур и элементной базы, так и внешних связей [1]-[4].

Основу системы наведения (СН) оси инфракрасного телескопа составляют опорно-поворотное устройство (ОПУ) и силовые следящие электроприводы (ССЭП). Здесь рассматривается система наведения на основе трехосного ОПУ, с конструктивной схемой, представленной на рис.0.1.

ЫЭП

Рис.0.1. Конструктивная схема трёхосного телескопа.

ОПУ содержит азимутальную ось, угломестную ось и ось сканирова-ния. На каждой из осей расположен электроагрегат, содержащий элект-рический двигатель и датчики угла поворота и скорости двигателя.

ССЭП азимутальной и угломестной осей ОПУ системы наведения телескопа обычно должны удовлетворять следующим требованиям [5]:

-развивать мощность, достаточную для преодоления суммарных нагрузочных моментов, действующих на оси ОПУ в процессе наведения или слежения;

- обеспечивать широкий диапазон регулирования по скорости и плавность наведения на низких скоростях слежения;

- обеспечивать заданные статические и динамические точности наведения в основных режимах работы в условиях флюктуирующей ветровой нагрузки.

Рис. 0.2. Фотография трёхосного телескопа

Современная тенденция построения электроприводов слежения азимутальной и угломестной осей ОПУ квантово-оптических систем последнего поколения, которые отличаются высокими требованиями к

статической и динамической точности, заключается в отсутствии согласующих редукторов, исполнительных двигателей постоянного тока с малой надёжностью и переходу к безредукторным следящим электроприводам, построенным на базе синхронных электродвигателей. Управление подобными двигателями осуществляется от транзисторных инверторов с использованием обратных сигналов датчиков угла поворота ротора двигателя. Кроме известных преимуществ, такой подход обуславливает появление и ряда дополнительных проблем, таких как расширение требуемого диапазона плавных скоростей слежения до значений десятков тысяч, снижение частот механического резонанса осей опорно-поворотных устройств, увеличение коэффициентов соотношения масс и т.п [6].

Поскольку ОПУ комплексов траекторных измерений являются уникальными изделиями, с проектировкой под конкретные назначения, то в условиях исполнения силовых следящих электроприводов наведения без использования редукторов, электрические машины имеют встраиваемую конструкцию и специальное исполнение. Проблемам построения таких приводов посвящено достаточно много работ теоретического и прикладного характера. [7-9]

Специфичными являются требования к электроприводам осей сканирования. Во многих случаях они должны обеспечить движение оси в пределах малых углов в соответствии с временной диаграммой, представленной на рис.0.3.

Полный цикл сканирования ТСк содержит 2 участка рабочего хода и ) с длительностью и 2 участка нерабочего хода и ) с

длительностью ¿нр. Длительность нерабочего хода измеряется между окончанием одного рабочего хода и началом следующего. На участках рабочего хода угол поворота оси должен меняться линейно в пределах от -агр до +агр с допустимой погрешностью нелинейности Дн%. Закон изменения угла на участках нерабочего хода не лимитируется.

Рис.0.3. Диаграмма сканирования

Помимо требований к линейности по углу, к системам сканирования предъявляются требования на формирование синхросигналов углового положения оси сканирования. Данные требования непосредственно связаны с назначением сканирующей оси: спектральным анализом летящих объектов. Требования включают в себя:

- временной интервал между фронтами импульсов в угл с;

- временной интервал между соседними импульсами в мкс;

- число импульсов на рабочем участке диаграммы сканирования.

Для соблюдения временных интервалов между фронтами импульсов и соседними импульсами, а также формирования требуемого количества импульсов на рабочем участке, требуется поддерживать значение скорости в заданном диапазоне.

Помимо указанных выше требований, существенным отличием электропривода оси сканирования являются большие моменты инерции на валу ротора. Это связано с установкой оборудования непосредственно на рабочую ось телескопа.

На текущий момент в свободном доступе не существует готового технического решения для систем с подобными моментами инерции в явном виде. Данные системы часто связаны с оборонной и военной промышленностью и авторскими разработками компаний, что затрудняет поиск аналогов и их характеристик. В большинстве современных систем, информация о которых находится в свободном доступе, применяется принцип получения

7

информации о сканируемых объектах с помощью зеркал, расположенных на рабочем органе сканирующей оси и передающих информацию непосредственно на неподвижное приёмное устройство.

Существуют несколько областей, в которых применяются сканирующие системы. Среди них можно выделить: лазерное сканирование, сканирование в радиолокации, акустическая локация и сканирующие устройства тепловизионных приборов (тепловизоров).

При лазерном сканировании производят высокоскоростные измерения расстояния от сканера до точек объекта и записи соответствующих направлений (горизонтальных и вертикальных углов). В сущности, измеряемые величины при наземном лазерном сканировании (НДС) аналогичны величинам, получаемым при работе с электронными тахометрами. Тем не менее, при применении НЛС осуществляется принцип тотальной съёмки объекта, а не его отдельных точек, что позволяет характеризовать НЛС как съемочную систему, результатом работы которой является так называемый скан - трёхмерное изображение [10].

Предназначенная для проведения наземного лазерного сканирования система изображена на рис.0.4 и состоит из: 1 - лазерный дальномер; 2 -приемо-передающий тракт дальномера; 3 - сканирующее зеркало (призма); 4 -сканирующая головка сканера; 5 - кабель, соединяющий лазерный сканер с полевым компьютером; 6 - полевой компьютер (промышленный ноутбук) со специализированным программным обеспечением; 7 - носитель информации.

Сервопривод и полигональное зеркало или призма выступают в качестве блока развертки в НЛС. Луч отклоняется на заданную величину в горизонтальной плоскости с помощью сервопривода, при этом верхняя часть сканера, называемая головкой, поворачивается. В вертикальной плоскости развертка осуществляется благодаря вращению или качанию зеркала. Направление распространения лазерного луча и расстояние до точек объекта фиксируются в процессе сканирования. Итогом работы системы будет растровое изображение - скан. [10]

Рис. 0.4. Состав и принципиальная схема наземной сканирующей

системы.

Радиолокацией называется совокупность методов и технических средств, предназначенных для обнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения посредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых или переизлучаемых объектами. [11]

В радиолокации наиболее часто измеряются дальность между целью и РЛС (радиолокационных станций), угловые координаты (азимут, угол места) и радиальная, относительно радиолокатора, составляющая скорости движения.

Радиолокационный обзор может выполняться несколькими способами: последовательным, одновременным (параллельный) и смешанным. При последовательном обзоре РЛС узким лучом с угловыми скоростями сощ, соум (азимут и угла места) сканирует зону радиолокационного обзора. Если из двух угловых координат измерению подлежит только одно координата, то луч антенны формируют таким образом, чтобы плоскость неизмеряемой

9

координаты имела большую ширину. Это условие является необходимым для перекрытия за один оборот антенны всей зоны радиолокационного обзора по данной координате. Подобный тип обзора называется секторным или круговым.

На рис.0.5., а,б проиллюстрирована работа радиолокационной станции, сжатая в горизонтальной плоскости и вертикальной плоскостях соответственно. Первая используется в РЛС, измеряющих дальность и азимут, а вторые применяют для РЛС, определяющих высоту цели или её угол места. На практике данные антенны работают в комплексе: обзор начинается с кругового вращения первой антенны вокруг вертикальной оси, на следующем этапе производится дистанционный разворот второй антенны на выявленный азимут интересующей цели и затем качание этой антенны вокруг горизонтальной оси с одновременным измерением угла места или высоты цели.

Если при необходимости осуществления точного измерения обеих угловых координат, применяют однолучевой обзор, то сканирование будет осуществляться игольчатым лучом по спирали, винтовой линии или по другой сложной траектории (рис.0.5 в-д). [11]

Звуковой (акустической) локацией называют метод обнаружения и исследования объектов путем анализа излученных ими или отраженных от них ультразвуковых волн.

Рассмотрим принцип действия стандартного звукового локатора. После включения прибора, задействуется звуковой генератор, распространяющий вокруг себя звуковые колебания. При встрече с препятствием, эхо звукового сигнала отражается и, по прошествии некоторого времени, попадет на приёмное устройство. Полученный локатором сигнал эха усиливается с помощью усилителя сигнала и поступает на детектор. При появлении на входе детектора сигнала, прибор отключает звуковой генератор. Звуковой генератор не работает, пока на входе детектора имеется какое-то напряжение. Генератор работал ровно столько, сколько времени потребовалось, чтобы сигнал от громкоговорителя дошел до микрофона. Столько же времени после этого громкоговоритель будет молчать.

Состоящий из звукового импульса и паузы, рассмотренный цикл будет повторяться через каждые Т с. В результате схемой будут генерироваться звуковые посылки с частотой : /=1/Т'.

Теперь необходимо измерить частоту генерации сигнала и произвести расчёт расстояния до препятствия. Данная задача решается частотометром.

Р_е До П_ Равн0: скорое. зВуКа е метрах за

секунду, I7— частота генерации в герцах. [12]

Устройства, используемые при наблюдении нагретых объектов по их собственному тепловому излучению, называются тепловизорами. Усиленное и автоматически обработанное невидимое глазом человека инфракрасное

излучение преобразуется в электрические сигналы, которые вновь преобразуются в видимое изображение объектов [13].

Видимое изображение исследуемого объекта в тепловизорах, построенных на основе оптико-механического сканирования получают через развертку (разложение) объекта на определённое число элементарных площадок. Данные площадки называют элементами разложения, являющимися наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система.

Рис. 0.6 Упрощенная структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием

Принцип действия заключается в следующем: пройдя через слой атмосферы, разделяющий прибор и наблюдаемый объект, тепловое излучение объекта 1 (рис.0.6.) и его окружения, фокусируется объективом 2 на чувствительную площадку приёмника излучения (ПИ) 4. Развертка объекта осуществляется последовательным направлением на ПИ изображения различных элементов объекта. Полученный телевизионный сигнал усиливается и преобразуется усилителем 5, после чего подается в индикатор ВКУ 6, формирующий видимое изображение объекта или производящим запись сигнала с помощью какого-либо регистратора. ВКУ получает также сигналы синхронизации от элементов 7, связывающих сканирующее устройство и ВКУ.

На рис.0.7. приведён пример сканирования колеблющимися плоскими зеркалами. Плоское зеркало совершает колебания относительно двух осей, расположенных перпендикулярно друг к другу, что позволяет проводить сканирование теплового поля прямоугольной формы. Посредством различных электромеханических и электромагнитных приводов достигается изменение положения зеркала в пространстве. В процессе сканирования мгновенное поле

зрения прибора движется в плоскости расположения наблюдаемого объекта, образуя телевизионный растр [13].

Рис. 0.7. Сканирующие устройства с колеблющимся зеркалом, размещенным в параллельном (а) или в сходящемся (б) пучке лучей: 1 — приёмник излчения; 2 — объектив; 3 — сканирующее зеркало; 4 — поле обзора.

Предварительный анализ существующих систем сканирования показал, что принципы работы акустической локации и радиолокации кардинально отличаются от принципов работы сканирующих систем телескопов: в радиолокации сканирующая ось двигается по сложной траектории