автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Контроллеры систем управления шаговыми двигателями электромеханических устройств специального назначения

На правах рукописи

ТАРАСОВ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

КОНТРОЛЛЕРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.13 05 - "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления" (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ск

Ульяновск - 2004

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Ульяновского государственного технического университета

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор КИСЛИЦЫН А.Л.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НЕГОДА В.Н.

кандидат технических наук, доцент АНТОНЕЦЕ.В.

Ведущая организация:

НИИСМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Защита состоится "23" июня 2004 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212 277.01 при Ульяновском государственном техническом университете, ауд.211

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д32, УлГТУ, ученому секретарю совета Д212.277.01

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государственного технического университета

Автореферат разослан"_" мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Казаков М.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время шаговый электропривод широко распространен среди электромеханических устройств автоматики. Шаговый электродвигатель (ШД), как частный случай синхронной машины, в сравнении с электродвигателями традиционно используемыми в электроприводах электромеханических устройств (ЭМУ), имеет некоторые преимущества. Перечислим основные из них: надежность конструкции и снижение затрат при реализации цифрового дискретного управления, уменьшение числа звеньев механической редукции в системе управления. Однако обеспечить характеристики управления ШД, которые будут лучше, чем в существующих системах автоматического управления (САУ) электроприводами при аналогичных внешних условиях, можно только при реализации в САУ ШД определенного и достаточно сложного алгоритма управления.

Содержание диссертационной работы связано с исследованием особенностей электромеханических свойств ШД, определением требований к структуре САУ и к алгоритму управления ШД. Основная часть работы посвящена определению эффективного метода управления ШД и реализации на его основе структурно-функциональной модели контроллера для САУ ШД. Исследованиям в области методов управления ШД посвящены работы Б.А. Ивоботенко, ВА. Ратмирова, В.К. Цацеркина, в области разработки и исследования, контроллерных САУ дискретных электроприводов - В.М. Казаченко, М.С. Ахметова. В рамках диссертации контроллер рассматривался как цифровое средство управления, в основе которого лежит микропроцессор. Использование контроллера в САУ ШД электромеханических устройств преследует цель -обеспечить технический результат в виде гибкой функциональной настройки системы управления, в том числе, точности и диапазона управления; универсальности управления относительно типов шагового электропривода; улучшения потребительских свойств САУ ШД.

Данная диссертационная работа выполнена з рамках ОКР, проводимой ФГУП "НПО"МАРС" по созданию нового поколения электромеханических устройств вывода графической информации (ЭМУ ВГИ), которые относятся к группе устройств специального назначения (СН). Данные устройства и их системы управления работают в тяжелых условиях эксплуатации. Известно, что ЭМУ ВГИ имеют практически универсальную структуру САУ, которая реализует комплексные задачи по управлению многокоординатным электроприводом и по организации сложных видов движений в реальном времени и с жесткими требованиями по динамической точности и т.д. В последнее время развитие зарубежных ЭМУ ВГИ в основном шло на базе цифровых контроллерных систем управления. В настоящее время отсутствуют отечественные электромеханические устройства ВГИ СН, у которых система управления соответствует современному уровню развития цифровой микропроцессорной техники. Этот факт подтверждает актуальность создания универсальной контроллерной САУ ШД и исследования вопросов, связанных с этим. Синтез современной контроллерной САУ электромеханических устройств ВГИ специального назначения требует проведения комплексных научных исследований на нескольких уровнях: свойств электропривода, структуры САУ, алгоритма управления и выбора аппаратуры.

Целью работы является совершенствование САУ ШД и улучшение их характеристик, создание структурно-функциональной модели укоторая реализует эффективный метод управления ШД и ^датж^'^^у^овиям эксплуатации ЭМУ специального назначения. ' I СПскН!

1 о» «Ч

Основные задачи исследований

- анализ ошибок, возникающих при управлении шаговым электроприводом, исследование особенностей электромеханической части ШД и его предельных возможностей по восприятию управляющей информации, обоснование общих требований к структуре контроллерного управления;

- исследование методов формирования управления током в фазах статора ШД и соответствующих им структурных схем, формулирование требований к базовому программному алгоритму управления контроллера,

- определение структуры контролера, обеспечивающей универсальные свойства: управление ШД с разным числом полюсов, реализация сложного вида движений многокоординатного электропривода, исключение узлов кинематического преобразования движения и настройка функций контроллерной САУ электропривода ЭМУ к технологическому процессу,

- выбор элементной базы, оптимизация аппаратного состава контроллера и проектирование блочно-модульной контроллерной системы управления, которая рассчитана на тяжелые условия эксплуатации в составе специальных ЭМУ,

- определение математического аппарата, используемого для моделирования процесса управления ШД, анализ качества алгоритма управления и структурной схемы контроллера

Методы исследований. Теоретические исследования проведены с использованием положений теории автоматического управления, теории электрических машин, теории электромагнитного поля, основ электроники, и микропроцессорной техники. Проводилось моделирование режимов и методов управления ШД с использованием ЭВМ в программе Mathlab 6.1. Экспериментальная проверка теоретических выводов, касающихся методов и алгоритмов управления, велась на опытном образце ЭМУ ВГИ.

Научная новизна положений, выносимых на защиту

1. Предложена базовая стуктурно-функциональная модель контроллера САУ ШД, на ее основе разработана структурная схема универсального цифрового контроллера шагового электропривода для САУ электромеханических устройств СП. Оригинальность данной модели контроллера подтверждена патентом на полезную модель.

2. Исследован ряд математических алгоритмов для формирования годографа результирующего тока фаз ШД. Определен базовый алгоритм задания тока в фазах ШД, который обеспечивает квазинепрерывный годограф результирующего тока. Данный алгоритм отличается от традиционных тем, что позволяет учесть ошибки, вносимые аппаратурой САУ ШД, конструкцией электропривода, параметрами управляющего сигнала (частота, коэффициент дробления элементарного шага).

3. Предложен графоаналитический метод определения динамической составляющей момента ШД на основе предельных динамических характеристик. Данный метод, в отличие от других, более эффективен в практике синтеза САУ, которые используют в алгоритме управления переходными процессами 'ГИД функциональную связь между частотой управления и током его фаз.

4. Определены требования к программному алгоритму управления ТНД в переходных процессах на базе разработанного графоаналитического метода определения динамической составляющей момента ШД. Эти требования обеспечили расширение диапазона управления ШД по частоте выше частоты приемистости, что позволило уменьшить массогабаритные характеристики и стоимость шагового электропривода в ЭМУ сократить состав аппаратуры управления ШД.

5. Предложена классификация структур управления ШД, которая по сравнению с традиционными классификациями основана на параметрах САУ, влияющих на качественные свойства шагового электропривода. Данная классификация позволяет свести синтез САУ ШД к нескольким основным типам СЛУ. На основе классификации были проанализированы эквивалентные схемы описания ШД в структурных схемах САУ, реализующих разные способы управления.

6. Разработана подробная структурная эквивалентная схема модели ШД на основе математических уравнений, описывающих электромеханические процессы формирования тока в отдельных фазах ШД. Данная математическая модель позволила исследовать функциональные зависимости характеристик САУ ШД от режимов управления, формируемых различными методами электрического дробления шага.

7. Выработаны рекомендации по реализации электрических схем, конструкции, аппаратному составу контроллеров САУ электропривода для ЭМУ различного назначения.

Практическая ценность и реализация результатов работы 1. Результаты работы использованы при разработке схемы контроллерной САУ шаговым электроприводом планшетного графопостроителя СН, получен акт внедрения. Данное устройство соответствует группе устройств с тяжелыми условиями эксплуатации. Оно превосходит по характеристикам известные отечественные аналоги.

2 Предложена новая схема блока формирователя распределителя импульсов контроллера (ФРИ). В отличие от известных зарубежных аналогов, внедренный в производство контроллер позволяет увеличить разрешающую способность функции ШИМ, реализуемую блоком ФРИ относительно базовой частоты микропроцессора-ядра контроллера, при сохранении требуемого уровня точности задания сигнала тока в фазах ШД. Блок ФРИ также позволил принципиально отказаться от прямого управления контроллером силовыми инверторами, что распространено в зарубежной практике, но при несущественном снижении цены ЭМУ СН увеличивает вероятность отказа САУ.

3. Предложена модель структуры универсального цифрового контроллера перенастраиваемой САУ многокоординатным шаговым электроприводом. Данная структура имеет унифицированную блочно-модульную конструкцию с оптимизированным аппаратным составом, рассчитана на ШД с разным числом полюсов, обладает расширенными функциональными возможностями гибкой настройки к требованиям изменяющегося технологического процесса. Данная модель контроллера предназначена для широкого спектра ЭМУ автоматики малой и средней мощности для прецизионного управления многокоординатным шаговым электроприводом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1-ой международной научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах" (Севастополь, СевНТУ, 2003г.) и на заседаниях НТС ФГУП "НПО"Марс", 2003г. и НТС УлГТУ, 2004г. Результаты выполненной работе были представлены на Всероссийском конкурсе "Инженер года - 2003" (г. Москва, ноябрь 2003г). Учредителем конкурса является Международный Союз научных и инженерных технических организаций. Данная работа была удостоена первой премии в номинации "Создание техники военного и специального назначения" по версии "Инженерное искусство молодых".

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 1 - патент на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 210 страницах машинописного текста, содержит 145 рисунков и 3 таблицы, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 230 наименований и 11 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы и необходимость проведения исследований по созданию универсального цифрового контроллера САУ шагового электропривода ЭМУ СН. Сформулирована цель работы, подчеркнута научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об их практическом использовании.

В • первой главе исследовались перспективы развития систем автоматического управления электромеханическими устройствами ВГИ.

В главе были рассмотрены лучшие образцы современных САУ ЭМУ отечественного и зарубежного производства Было выявлено, что в качестве распространенного средства управления этих САУ используется контроллер, основу которого составляет микропроцессор или микроконтроллер. Использование универсального цифрового контроллера позволяет: реализовать гибкость настроек САУ и широкий набор функций управления для адаптации к технологическому процессу, минимизировать аппаратный состав САУ, увеличить ее производительность.

Проводился сравнительный анализ существующих САУ электромеханических устройств ВГИ на уровнях: аппаратуры, структурной схемы, метода управления и алгоритма функционирования. Были исследованы общие зависимости характеристик систем управления от особенностей структуры и аппаратного состава САУ и недостатки существующих САУ. При этом было выделено два типа САУ: специализированные, у которых метод управления жестко связан с их структурой, и универсальные - на базе микропроцессорного управления.

К недостаткам специализированных САУ относятся: ограничения, накладываемые структурой управления на диапазон функциональных характеристик управления и на гибкость настроек САУ; упрощение структуры алгоритма контроля и формирования управляющего сигнала САУ, которое приводит к увеличению погрешности параметров данного сигнала; неоптимизированный аппаратный состав.

В универсальных САУ имеются свои недостатки: алгоритм формирует сигналы управления без учета электромеханических особенностей конструкции ШД; микропроцессор реализует прямое управление силовыми инверторами; существует проблема синхронизации управления в многокоординатных САУ, созданных на базе универсального микроконтроллера. Данная проблема выражена в нерациональной реализации управления многокоординатных САУ ШД относительно использования ресурсов микроконтроллера входящего в САУ, что объясняется особенностью его внутренней архитектуры. К сожалению, есть только один инструмент для решения этой проблемы - за счет программных средств. В конечном итоге, это всегда приводит к подавлению других важных функций управления, выполняемых универсальным контроллером в реальном времени. Таким образом, вопрос синхронизации для универсальных контроллеров является основным.

Перечисленные недостатки в существующих схемах САУ не позволяют принять их в качестве базы для синтеза универсального цифрового контроллера САУ электропривода ЭМУ СН. Поэтому, остается актуальным создание структуры контроллера,

которая обеспечивает эффективное управление ШД и соответствует современным требованиям к САУ электропривода СН

Путем сравнительного анализа характеристик многокоординатных систем управления электроприводом ЭМУ ВГИ (таблица 1) были определены тенденции их развития

Таблица 1 Характеристики электромеханических устройств ВГИ

Высокий уровень требований технологии вывода графической информации к управлению электроприводом и ряд других причин, рассмотренных в работе, объясняет отсутствие ЭМУ ВГИ, в которых успешно решен весь комплекс вопросов, связанных с управлением шаговым электроприводом.

Таким образом, задача по унификации структуры контроллерных систем управления шаговым электроприводом для ЭМУ ВГИ является актуальным, так как:

-характеристики известных отечественных САУ электромеханических устройств ВГИ существенно проигрывают зарубежным контроллерным системам;

-контроллерные САУ универсального характера, построенные в основе базовой структуры, могут удовлетворить назревшую необходимость в глубокой модернизации широкой группы уже созданных САУ ЭМУ и расширении их функциональных возможностей;

- отсутствуют отечественные ЭМУ СН, применяемые в тяжелых условиях эксплуатации, САУ которых по характеристикам будут соответствовать лучшим зарубежным аналогам.

В первой главе исследуются общие характеристики ШД, и особенности его электромеханической части. Главная особенность ШД - способность преобразовывать дискретную информацию в форме электрических импульсов в фазах статора в соответствующее ей перемещение вала ротора. Это преобразование однозначно, т.е. каждому управляющему импульсу соответствует единичный угол поворота ротора шагового двигателя - элементарный шаг:

360° 2 я

4>ш = —(1)

2,т

2 рт

где Zp—число зубцов ротора;

т—число пространственно сдвинутых обмоток управления. Точность отработки ШД большой серии управляющих импульсов не зависит от числа импульсов и находится в пределах величины единичного угла поворота. Шаговый электропривод способен в разомкнутой дискретной САУ обеспечить глубокое регулирование частоты вращения и надежную фиксацию конечных координат пере-

мещения» отсутствие накопления статической погрешности системы управления, работу в шаговом и непрерывном режиме вращения.

На начальном этапе исследований было обосновано применение способа, определения приближенных значений параметров шагового электропривода ЭМУ, в качестве методики для предварительного выбора типа ШД контроллерной САУ.

Результаты исследования свойств электромеханической части ШД и дискретного управления ШД, с применением электрического дробления шага, позволили сформулировать следующие задачи исследования:

- определение наиболее эффективных методов формирования управления ШД для синтеза структурно-функциональной модели универсального контроллера;

- определение природы ошибок, возникающих в САУ ШД, факторов, влияющих на характеристики контроллерной САУ, а также - функциональных зависимостей устойчивости управления ШД от этих факторов, формирование на вышеуказанной основе дополнительных требований к организации базового алгоритма контроллера для управления ШД, и определение требуемых режимов работы контроллерной САУ;

- синтез структурной схемы контроллера и определение его аппаратного состава, который должен обеспечить- контроллерной САУ ШД соответствие требованиям группы ЭМУ СН, имеющих тяжелые условия эксплуатации;

- решение проблемы применения в ЭМУ ВГИ универсальной контроллерной САУ ШД, при синтезе которой важно выполнить эргономические требования к результатам функционирования ЭМУ ВГИ. Эти требования должны быть обеспечены в комплексе структурой САУ и математическим алгоритмом управления контроллера для достижения необходимых характеристик управления ШД по точности и быстродействию.

Вторая глава посвящена исследованию ошибок, возникающих в САУ ШД, определению функциональных зависимостей величины ошибок от режимов работы, от характеристик электромеханических процессов в ШД, исследованию параметров аппаратуры САУ и других факторов, определению требований к устойчивости управления САУ ШД в переходных процессах. С целью решения сформулированных выше задач исследований, полученные зависимости характеристик САУ ШД и требования к управлению ШД были учтены при разработке базового программного алгоритма формирования управляющих сигналов в фазах ШД. В главе исследовались методы реализации электрических состояний фаз ШД, определен эффективный метод формирования сигналов управления ШД на основе метода электрического дробления шага и . определена базовая структура контроллера.

Исследования ошибок при управлении ШД, связанных с нелинейностью параметра жесткости угловой характеристики момента реального ШД и наличием зоны нечувствительности на данной характеристике, определили методы их уменьшения средствами контроллерного управления. Были определены дополнительные требования к базовому алгоритму формирования управляющих сигналов для ТНД при отработке заданного угла управления у. Обосновано, что учет этих требований в алгоритме контроллера позволяет исключить статическую ошибку позиционирования равную (у-&), где в - требуемый угол поворота.

Определено, что обеспечение эргономических требований к результатам функционирования ЭМУ ВГИ зависит от уровня динамических угловых и скоростных ошибок, которые сопровождаются колебаниями в пределах элементарного шага. Исследование динамических характеристик управления ШД велось по уравнениям в относительных единицах:

где - ступенчатая функция воздействия;

- обобщенные безразмерные параметры относительной постоянной времени, относительной ЭДС, относительной нагрузки.

По результатам оценки динамической ошибки и пульсаций мгновенной скорости были опре-

делены диапазоны режимов управления ШД и характер ошибок для каждого режима (рис. 1).

Определены параметры диапазона частот режима "приемистости" для использования в настройке алгоритма управления контроллерной САУ ШД. Было показано, что верхней границей диапазона можно управлять, применяя форсирование электромагнитных процессов, и обе границы можно сдвигать, изменяя величину шага:

Рис. 1. Диаграмма динамических ошибок режимов управления ТПД

5 /„ *

£2,

а0= 2яг/(

■ м.

(?)

Х-а

где Оа - круговая частота собственных колебаний привода, /о - резонансная частота привода,

- величина электрического шага,

- максимальный момент на угловой характеристики, /- момент инерции двигателя.

В пределах этого диапазона допустимо описание модели ШД, как линейного колебательного звена, что позволило оценить предельные условия сохранения устойчивости при управлении ШД методом электрического дробления шага:

д.гв _ / ч

(4)

По фазовым портретам зоны статической устойчивости были определены предельные угловые и скоростные ошибки. Определено, что с ростом электрического шага происходит уменьшение устойчивости управления ШД:

Сделаны выводы, что при реализации электрического дробления шага для исключения в САУ ШД ошибок при отработке сигнала управления, закон движения ШД во времени должен быть согласован с требуемым законом изменения угла - траекторией и с диаграммой нагрузки за счет структуры аппаратных средств и требований к алгоритму работы контроллера. Данный закон изменения скорости включает в себя совокупность требований по частоте, скважности и мощности импульсов в фазах ШД. Эти требования должны быть реализованы в алгоритме контроллера, который формирует управление ШД в режиме электрического дробления шага.

Исследована задача обеспечения для любого требуемого диапазона управления ШД и допустимых уровней динамических ошибок ¿lea и (у-в). В результате, определено требование к алгоритму управления контроллера, которое оформлено в виде определения частоты из диапазона частот режима "приемистости", соответствующего этой частоте элементарного электрического шага вектора НС и шага поворота ротора ШД:

Ú)„

со„

Qr

м

(6)

и ■ ~ср

где - средняя величина угловой скорости из требуемого диапазона управления ШД (рис.1).

Это означает, что частота команд контроллера должна быть существенно больше резонансной частоты На практике данное условие обеспечивается в той мере, в какой удается уменьшить электрический шаг.

Исходя из зависимостей (5) и (6) и минимального времени единичного шага равного были определены функциональные зависимости качества управления ШД задающего управления от параметров алгоритма контроллера (электрического шага, частоты коммутации):

- граница дискретного и непрерывного движений

411

/^=2/0( 0^=2/0« = — /о;

(7)

- предельные динамические ошибки

IM ПИЛ Л N-

«шах _«0 f ~WfO

1 л О Jo ~

2 4 п п

(8)

диапазон регулирования

со ;

jp _ верхн _ J

(9)

п

~ Ха •

Получены предварительные выводы:

- устойчивость САУ растет при уменьшении электрического шага;

- диапазон регулирования существенно увеличивается в замкнутых САУ;

- на высоких значениях угловых скоростей фильтрующие свойства привода подавляют дискретный характер управления, улучшая качество работы ШД, поэтому целесообразно увеличить величину электрического шага, чтобы не применять предельно высокую частоту управления, когда

Анализ ошибок, возникающих в САУ ШД, выявил, что алгоритм контроллера должен обеспечивать требуемую точность посредством регулирования величины коэффициента дробления электрического шага. Была определена основная задача исследований при разработке базовой структуры контроллерной САУ- расширение границ

сложившихся представлений о возможных электрических состояниях фаз ШД, циклах коммутации и дискретном годографе результирующего тока ШД

Не менее важным требованием к контроллерной САУ является сохранение устойчивости управления ШД в переходных процессах. Для определения требований по устойчивости был предложен графоаналитический метод определения предельных токов в фазах ШД в переходных процессах управления Использование данного метода предполагает, что контроллер определяет запас устойчивости по отношению тока короткого замыкания двигателя к предельному току переходного процесса. Для этого в структурную схему контроллера САУ была введена обратная связь по суммарному току фаз ШД. Это обеспечило повышение верхней границы диапазона частот управления выше частоты приемистости ШД и увеличение устойчивости САУ ШД переходных режимах.

В главе определен базовый алгоритм формирования управляющих сигналов для ШД, в виде некоторого информационного процесса, заданного для траектории движения как функция 0-^). Его математической базой являются уравнения электромеханического равновесия ш-фазного электродвигателя. Они определяют функциональную связь требуемого движущего момента ШД, с координатами перемещения и токами в его фазах. Уравнения (10) учитывают ограничения, накладываемые тепловыми и коммутационными режимами аппаратуры и структурной схемой контроллерной САУ.

з ¿2е „ (а ¿е^ .,/_. . V

(10)

В данном алгоритме была закреплена связь между формируемым мгновенным значением фазных токов ШД и результирующим вектором состояний НС, знаком фазовой скорости у и величиной 11(у) \:

Таким образом, интервал квантования годографа 1(у) эквивалентен электрическому шагу, а число электрических состояний - конечно. Сделан вывод, что управление ШД сводится к формированию дискретного годографа его результирующего тока 1(у). При этом массив электрических состояний годографа результирующего тока, формируемого САУ, должен учитывать не только условия устойчивости, но и условия отработки шага квантования с заданной точностью при электрическом дроблении состояний сигналов в фазах ШД.

Был проведен сравнительный анализ структур аналогового и импульсного методов формирования уровней тока в обмотках ШД, определены их преимущества и недостатки при использовании в схеме контроллерной САУ ШД (рис. 2).

Рис. 2. Структуры аналогового (а) и импульсного (б) формирования тока в фазах ШД

Рис. 3. Диаграмма рассеяния мощности

Установлено, что импульсный регулятор тока в фазах ШД, основанный на широт-но-импульсном (ШИМ) методе, мало чувствителен к изменениям окружающей среды, чем выгодно отличается от аналогового. Определено, что структура ШИМ при циф-ро-фазовом управлении позволяет осуществить гл)бокое квантование угла и скорости, которое, в пределе, обеспечивает формирование квазинепрерывного годографа фазных токов. Данное качество является необходимым для управления динамической точностью в САУ с широким диапазоном регулирования скорости.

Была проведена оценка затрачиваемой мощности ШД при его позиционировании внутри элементарного шага в аналоговом непрерывном режиме и ШИМ режиме формирования тока в фазах ШД. Полученная диаграмма зависимости мощности, потребляемой ШД, при позиционировании ротора в пределах элементарного шага показывает, что наиболее экономичным является режим целых шагов и близкий к нему режим ШИМ (рис. 3). В наиболее неблагоприятной точке отношение потерь при аналоговом и ШИМ - регулировании тока составляет примерно 5-10 раз. Поэтому был сделан вывод, что структура контроллерной САУ, формирующая ток в фазах ШД методом ШИМ, лозволяет повысить ресурс силовых ключей, используемых в схеме инверторов и снизить требования к их мощности, тем самым, обеспечив выигрыш в стоимости устройства.

Анализ возможностей и энергетических показателей ШИМ - метода позволил обосновать данный метод управления в качестве базового. На основе выбранного метода управления ШД (рис. 2б) предложена базовая структурная схема выходных цепей контроллера. В ней были аппаратно реализованы требования к управлению, учитывающие особенности электромеханической части ШД и его предельные возможности по отработке управляющего сигнала, которые позволяют:

- формировать алгоритм управления контроллерной САУ, с использованием режимов электрического дробление шага, аналогично управлению установившимися периодическими процессами;

- достигнуть такого уровня дискретности результирующего годографа тока в фазах ШД, который обеспечивает плавность вращения ротора ШД, требуемую ЭМУ ВГИ;

- аппаратно реализовать механизм согласованного управления многофазной системой обмоток ШД, как одной квазиобмоткой;

- реализовать возможность управления ШД с разным числом полюсов за счет блока формирователя распределителя импульсов (ФРИ) с изменяемым числом фаз;

- выполнить структурную оптимизацию аппаратного состава САУ.

Указанные характеристики структуры контроллера обеспечили его универсальность, а также позволили увеличить разрешающую способность функции ШИМ, реализуемую блоком ФРИ относительно базовой частоты микропроцессора, позволили отказаться от прямого управления силовыми инверторами.

В главе также, исследовались алгоритмы электрического дробления шага в существующих САУ ШД. Сделан вывод, что при традиционном подходе (линейного изменения токов в фазах ШД) величина результирующего годографа НС и тока непосто-

янна, а их фаза изменяется неравномерно, что приводит к нежелательным циклическим динамическим ошибкам. Обосновано применение гармонического закона для формирования годографа НС и тока в фазах ШД, который устраняет ошибки, связанные с линейным законом изменения токов .

Проведена оценка реальной точности режимов позиционирования ШД, учитывающая искажения сигнала управления за счет особенностей конструкции магнитной цепи ШД индуктивности его фаз и параметров ключевых элементов инвертора. Определена функциональная зависимость между уровнем искажений формы тока в фазах ШД из-за индуктивности и периодом формирования сигнала управления для разных схем коммутации и режимов работы ШД. Сделан вывод: чтобы средняя за период энергия, заключенная в импульсе, была постоянна, необходимо и достаточно поддерживать равенство площадей, ограниченных кривыми токов и осью времени, в случаях идеальной активной и реальной комплексной нагрузок, имеющих место в фазах ШД. Определен диапазон частот управления, для Тупр>$Тф, и предел изменения электрической скорости, при которых искажение формы магнитного поля внутри ШД минимально:

2п-1р ■

со <

где - электрическая угловая скорость НС, Тф - постоянная времени фаз ШД,

при - число тактов распределителя импульсов внутри единичного шага ШД,

- задержка времени при отключении полупроводникового ключа.

Были исследованы аппаратные методы и соответствующие им электрические схемы для учета особенностей электромеханической части ШД и силовых цепей контроллера, в том числе: схемные способы форсирования переходных процессов, различные способы снижения перенапряжения и защиты ключей инверторов. Проанализированы достоинства и недостатки при использовании их в схеме контроллера.

Основные результаты, полученные во второй главе:

- уменьшение ошибок управления ШД или их исключение зависит от алгоритма САУ и связано с усложнением этого алгоритма;

- обосновано применение расширенной модели шагового электропривода в качестве основы для базового программного алгоритма управления ШД, который реализуется в виде информационного процесса формирования дискретного годографа результирующего тока ШД 1(у), по средствам которого осуществляется прямое преобразование произвольного числа закодированных в памяти системы электрических состояний в механические координаты реального пространства, отрабатываемые шаговым электроприводом;

- определены функциональные зависимости величины ошибок САУ ШД от основных параметров управления (частота, величина электрического шага), диапазон их применения в синтезе алгоритмов САУ различных ЭМУ;

-определены дополнительные условия для использования в базовом алгоритме управления и требования к структуре контроллера, которые позволили уменьшить величину ошибки управления контроллерной САУ ШД.

В третьей главе проведен синтез структуры контроллера в составе САУ, разработана схема контроллера для системы управления ЭМУ ВГИ, проведен анализ результатов внедрения контроллера в производство. В главе решались две основные задачи исследований:

-уточнение метода и структуры управления с учетом особенностей электромеханической части ШД;

' - синтез структуры контроллера на основе метода управления и выбор аппаратуры, характеристики которой соответствуют требованиям алгоритма работы САУ и обеспечивают гибкую настройку функционирования САУ к условиям изменяющегося технологического процесса.

Для создания структуры контроллера с оптимизированным аппаратным составом, который эффективно преобразует управляющую информацию в сигнал тока в фазах ШД, были проанализированы зависимости характеристик существующих САУ ШД разомкнутого и замкнутого типов, от используемых в них алгоритмов работы и принципов построения функциональных схем.

Были определены недостатки разомкнутых систем:

- недоиспользуется диапазон рабочих скоростей ШД для обеспечения устойчивости управления, а именно рабочая скорость разомкнутого шагового электропривода выбирается значительно меньше допустимой и ограничивается мгновенное изменение частоты управления ШД;

- при форсировании переходных процессов управления ШД начинают проявляться колебательные свойства САУ, устранение данных проявлений требует существенного усложнения схем силовых инверторов,

- отсутствие обратной связи в САУ предъявляет повышенные требования к точности и качеству изготовления узлов кинематической схемы, механических передач и т.д.

Относительная сложность структуры замкнутых САУ ШД, окупается тем, что снимает ограничения, свойственные разомкнутому приводу (рис. 4). Основными достоинствами замкнутых САУ перед разомкнутыми следует считать: уменьшение колебательности при отработке сигнала управления или полное ее исключение, увеличение быстродействия,' минимальное время отработки сигнала рассогласования любой величины, отсутствие накопления ошибки.

Рис. 4. Базовая структурная схема цифровой замкнутой системы

Для качественного анализа и эффективного синтеза САУ ШД необходима их систематизация. Поэтому была предложена классификация базовых структур САУ ШД, в основе которой были положены характеристики, определяющие качество управления ШД: период дискретного управления относительно времени элементарного шага (Тш) и основной принцип преобразования информации в САУ. В результате в основу метода управления, реализованного в контроллерной САУ, легло

тода управления, реализованного в контроллерной САУ, легло цифровое управление релейного типа с кодовой обратной связью по току, где ТупркТш.

Определена базовая функциональная схема цифровой контроллерной САУ с контуром обратной связи по полному току ШД (рис 5)

Рис. 5. Функционалная схема контроллерной 2-х координатной САУ с ШД

Проведенный анализ существующих структурных схем замкнутых САУ позволил определить способы повышения эффективности базовой структуры контроллера. В результате, при синтезе принципиальной схемы контроллерной САУ был использовано кодирование сигналов управления, что привело к более эффективной реализации алгоритма управления контроллерной САУ, по сравнению с традиционными способами. Данный способ позволил устранить дополнительное преобразование информации из непрерывного в дискретный вид, обеспечил максимальную скорость отработки САУ ШД независимо от величины рассогласования и практическое отсутствие выбегов при отработке перемещений и колебаний выходной величины скорости, относительно, ее заданного текущего значения.

Были сформулированы необходимые требования к структурной схеме контроллера САУ шагового электропривода ЭМУ:

- наличие цифровых каналов для обработки сигнала контура обратной связи САУ;

- аппаратное обеспечение методов нелинейной интерполяции, что минимизирует объем информации, которая требуется для управления многокоординатным шаговым электроприводом с заданной точностью;

- устранение прямой зависимости характеристик САУ ШД от параметров кинематики устройства и переход от механической редукции к электрическому дроблению шага;

- использование цифровой структуры управления в контроллере совместно с программным алгоритмом для расширения диапазона функциональных возможностей и гибкости настроек контроллерной САУ;

- преобразование цифрового управляющего кода в непрерывную последовательность управляющих импульсов методом ШИМ, который обеспечивает плавность характеристик и уменьшение динамических ошибок управления САУ ШД.

Исследованы режимы работы контроллерной САУ ШД, позволяющие устранить колебания при отработке единичных шагов обеспечить задачи позиционирования в условиях работы с частыми пусками, реверсами и остановками. Проанализирована совместимость этих режимов управления с задачей нелинейной интерполяции при синхронном управлении многокоординатным электроприводом, в том числе, на примере систем управления электроприводом ЭМУ ВГИ.

Разработана подробная структурная схема контроллера, которая обеспечивает дробление шага с изменяемым коэффициентом дробления и повышение устойчивости за счет введения обратной связи по току, управление на частотах больше частоты приемистости двигателя (рис. 6).

Проведен сравнительный анализ существующих схемных решений реализации электрического дробления шага по следующим параметрам: глубина квантования элементарного шага, постоянство точности задания величины шага электрического дробления, повторяемость отработки ШД перемещений задаваемых и ряд других.

В результате, была предложена усовершенствованная структурная схема блока ФРИ. Он выполняет функции цифрового электронного коммутатора с кодовым управлением, причем, формирует электрические сигналы управления параллельно для нескольких ШД, осуществляет реверс ШД и работу, без пропуска информации и изменения сдвига фаз между углами коммутации токов в этих обмотках.

С учетом дополнительных требований к базовому алгоритму формирования годографа тока ШД, структура усовершенствованного блока ФРИ была дополнена функциями нелинейного гармонического преобразования фазы выходных сигналов совместно с регулированием величины сигнала ШИМ методом. Полученный универсальный блок ФРИ дает преимущества контроллерной САУ ШД перед остальными:

- формирование программно-аппаратным способом синхронного управления несколькими ШД, управление сдвигом фаз токов в цепях статорных обмоток каждого ШД многокоординатного электропривода;

- улучшение характеристик движения ШД, в том числе, в режиме непрерывного вращения, за счет обеспечения изменение уровня тока в фазах ШД по гармоническому закону, где плавность изменения сигнала определена ШИМ методом;

- реализация задач интерполяции на уровне программных средств, за счет применения в контроллере блока ФРИ с цифровой структурой преобразования сигнала.

Важным параметром для оценки эффективности контроллерной САУ является производительность при обработке сигналов функциональных блоков, входящих в контроллер. При этом, наиболее существенное влияние при формировании выходных сигналов управления имеет разрешающая способность функции ШИМ блока ФРИ относительно базовой частоты микропроцессора контроллера.

В разработанной структурно-функциональной модели контролера (рис. 6), за счет использования кодирования цифрового сигнала управления и нового универсального блока ФРИ была аппаратно облегчена реализация алгоритма синхронного управления многокоординатным шаговым электроприводом.

Рис. 6. Подробная структурно-функциональная модель контроллера

В этой модели контроллера с увеличением разрешающей способности ШИМ каналов блока ФРИ, уменьшена относительная загруженность процессора контроллера во времени на обслуживание задач синхронного управления. Это дало возможность более широко реализовать другие основные функции контроллерной САУ ШД выполняемые в реальном времени (интерполяция и др.). По сравнению со структурными схемами аналогичных контроллеров ЭМУ, микропроцессор в схеме данного контроллера в четыре раза реже формирует код для управления ШД при поддержании требуемого уровня точности. К тому же блок ФРИ ведет непрямое управление ключами силовых инверторов, что повышает надежность контроллерной САУ ШД.

Эти качества является ценными для создания контроллеров на базе микропроцессоров, так как позволяет существенно улучшить эффективность контроллерных САУ. Достоинствауказанной выше структурно-функциональной модели контроллеров незаменимы в создании контроллера СН на отечественной элементной базе для использования в тяжелыхусловиях эксплуатации, так как производительность отечественных микропроцессоров СН ниже, чем у зарубежных аналогов, применяемых в гражданской технике.

Указанная выше запатентованная полезная модель контроллера была внедрена в опытном образце ЭМУ ВГИ. Так как исследования по теме диссертации проводились в рамках работ ФГУП "НПО"Марс" по созданию системы управления ЭМУ ВГИ специального назначения, схема реализации контроллера САУ ШД в данном ЭМУ выполнена на отечественной элементной базе и соответствует требованиям группы устройств, рассчитанных на тяжелые условия эксплуатации.

Проведен анализ результатов внедрения контроллера в производство. Сравнение структуры разработанной контроллерной САУ с аналогами подтвердило практическую ценность заложенных в ней решений:

- превосходство по характеристикам данного образца над изготавливаемыми отечественными аналогами, соответствующих классу промышленного и специального оборудования повышенной надежности;

-обеспечение гибкой настройки параметров функционирования контроллерной САУ и улучшение эргономических характеристик результатов функционирования ЭМУ ВГИ, при этом, в отличие от известных аналогов, характеристики САУ в меньшей степени зависят от кинематических особенностей устройства и конструкции электропривода;

- обеспечение характеристик и функциональных возможностей контроллерной САУ, сравнимых с лучшими зарубежными аналогами, при их относительно меньшей стоимости;

- обеспечение управления ШД, с разным числом полюсов, и прецизионного управления шаговым электроприводом малой и средней мощности;

- реализация широкого диапазона функциональных настроек САУ ШД к требованиям технологического процесса выполняемого ЭМУ;

- наличие блочно-модульной конструкции и оптимизированного аппаратного состава, которые способствуют применению этого контроллера для модернизации САУ уже эксплуатируемых устройств.

В четвертой главе были исследованы вопросы, касающиеся анализа и оценки полученных ранее результатов, проведено моделирование контроллерного управления ШД. Предложены методы и средства моделирования для определения параметров математического алгоритма контроллера, требуемых для обеспечения заданного качества управления САУ ШД:

- метод определения алгоритма равномерного дробления шага, в том числе, обосновано применение в качестве его базы идеализированной математической модели двухфазного ШД;

- метод вычисления параметров годографа электрических состояний и угловых моментных характеристик двигателя;

- обобщенная модель и граничные оценки привода с электрическим дроблением шага;

- построение подробной эквивалентной структурной схемы ШД на базе уравнений в йи ^ координатах. Проведено моделирование на ЭВМ режимов работы ШД.

Для решения часто выполняемой задачи проектирования алгоритма управления САУ ТНД проведено исследование метода программного построения траектории движения идеального двухфазного ШД. Данный метод имеет вид информационного процесса, обеспечивающего соответствующие законы изменения фазных токов ШД в функции пути или времени.

В главе были исследованы вопросы являющиеся базой по определению параметров алгоритма управления для реализации требуемого вида движения для различных типов шагового электропривода. К этим вопросам относят: прямой и обратный переход от уравнений, описывающих т-фазный ШД, к уравнениям идеализированного двухфазного ШД; учет особенностей электромеханической части реального ШД в его математическом описании, на основе уравнений электромеханического равновесия в d и q осях статора.

Были определены условия, которые требуется соблюдать при адаптации алгоритма управления, составленного для идеализированного двухфазного ШД, применительно к реальному ш-фазному ШД Определено, что при соблюдении указанных выше условий, дополняющих формулы (10) и (11), годограф 1(у) рассматривается как непрерывный, а изменение токов в функциях положения и времени одинаково Ы(9)=Ы(со1), где к=1, 2...т. Следовательно, задача точного позиционирования и задача получения равномерного движения имеют одно решение.

Исследована функциональная зависимость электромагнитного момента от особенностей магнитной цепи идеализированного ШД и вида управления, что позволяет для любой требуемой формы изменения момента в пределах элементарного шага и на полном повороте ротора ШД определить соответствующий вид информационного процесса управления. Для данных условий, определен закон программирования токов, обеспечивающий равномерное движение ШД.

Метод для определения данного закона использует замену реального ШД идеализированным, при этом результирующий годограф находится путем решения уравнения (10), а затем добавления искажающих гармоник момента реального ШД, гармонический состав которого известен.

Определено, что идеализированный привод при постоянном моменте сопротивления нагрузки не требует специального решения задач равномерного дроб-

ления шага Программирование токов по синусоидальному закону для равномерно сдвигаемой во времени фазы токов у в этом случае является достаточным.

где угол у=М+вн - фаза изменения токов, учитывающая угол рассогласования, вносимый нагрузкой в требуемое положение ротора

Чтобы обеспечить равномерность движения для случаев, когда не выполняется условие постоянства закон изменения токов определяется из частного решения уравнений (10). Определена система уравнений и метод нахождения этого решения по гармоническому составу искажений момента. Анализ результатов вычислений и построенных кривых показывает:

- в ШД, где обеспечено круговое распределение НС, постоянная нагрузка не влияет на форму годографа

- при искажениях момента Мн возможно обеспечить постоянство дискрета позиционирования при соответствующим изменением токов;

Поскольку характер электромагнитного поля внутри реального ШД всегда отличен от синусоидального, можно утверждать, что синусоидальный закон формирования токов фаз никогда не является оптимальным для достижения наилучшего качества движения; "

- угловая моментная характеристика ШД по ходу движения поля и ротора внутри элементарного шага может весьма существенно изменяться, однако участок угловой характеристики момента ШД в окрестности точки положения равновесия с нагрузкой имеет закрепленную форму и коэффициент жесткости

Были определены допустимые пределы изменения динамической ошибки (у-в), внутри которых или т.е. справедлива линейная

или гармоническая аппроксимация электромагнитного момента ШД. Этот результат является важным для обоснованного упрощения уравнений, описывающих шаговый электропривод с электрическим дроблением шага, закладываемых в программу алгоритма контроллера.

На базе уравнений электромеханического баланса фаз в осях йи q, была предложена подробная эквивалентная математическая модель ШД, которая реализовала функциональную связь между током в фазах ШД и величиной угловой скорости ротора ШД. Предложена методика расчета коэффициентов математической модели, через паспортные характеристики фазных цепей статора ШД Данная модель позволяет исследовать характеристики САУ при управлении ШД в режиме электрического дробления шага. Выполнено моделирование режимов управления ШД в пакете МаШ1аЪ6.1. С помощью моделирования проведены:

- оценка качества управления ШД ШИМ-методом при электрическом дроблении шага в сравнении с аналоговым непрерывным методом и режимом целых шагов;

- исследование зависимости запаса устойчивости в переходных процессах работы ШД в диапазоне работы контроллерной САУ в зависимости от используемых программных алгоритмов формирования годографа результирующего тока в фазах ШД. Определены требования к алгоритму контроллера для обеспечения требуемого диапазона управления контроллерной САУ.

Анализ результатов, моделирования подтвердил положения, определенные во второй главе, касающиеся организации рационального алгоритма управления движением. Была изучена функциональная зависимость динамических ошибок от величины

электрического дробления шага, и определен алгоритм разгона и торможения для диапазона частот управления выше частоты приемистости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определены функциональные зависимости ошибок управления ШД от влияющих на них характеристик САУ ШД и параметров аппаратуры. Предложена базовая функционально - структурная модель контроллера для систем управления ШД и базовый алгоритм ее функционирования, которые позволяют эффективно управлять ШД. Данная модель контроллера предназначена для широкого спектра ЭМУ автоматики малой и средней мощности для прецизионного управления многокоординатным шаговым электроприводом.

2. Определены требования к базовому алгоритму задания токов в фазах ШД, которые позволяют исключить ошибки, вносимые аппаратурой, конструкцией и электромеханическими свойствами электропривода, параметрами управления (частотой, величиной электрического шага).

3. Разработана схема универсального контроллера САУ многокоординатного шагового электропривода ЭМУ для прецизионного управления несколькими ШД малой или средней мощности с разным числом фаз и полюсов. На основе данного контроллера создана система управления ЭМУ планшетного графопостроителя специального назначения, который внедрен в производство. Данное ЭМУ ВГИ, представляющее собой планшетный графопостроитель с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками САУ по сравнению с аналогичными приборами предыдущего поколения, а именно:

- повышены параметры точности выводимой информации в 4 раза;

- повышена производительность устройства в 2 раза;

- улучшены массогабаритные характеристики системы управления и устройства в целом в 1,75 раза;

- в четыре раза увеличена разрешающая способность ШИМ каналов относительно базовой частоты микропроцессора контроллера, по сравнению с зарубежными аналогами микроконтроллеров.

4. Предложен метод систематизации структур управления ШД, приведена классификация, в основу которой положены методы преобразования информации в САУ и режимы формирования сигнала управления относительно времени отработки элементарного шага.

5. Разработаны новые схемы: нестандартный формирователь распределитель импульсов и инвертор, с помощью которых понижены требования к производительности используемого в контроллере микропроцессора, обеспечиваются характеристики САУ ШД на уровне зарубежных аналогов и соответствие специальным требованиям ЭМУ СН при использовании отечественной элементной базы.

6. Разработан метод вычисления годографа электрических состояний на основе идеализированной математической модели двухфазного ШД. Данный метод позволил вычислить требуемый годограф электрических состояний для заданных параметров точности или скорости системы управления.

7. Предложена эквивалентная структурная схема ТНД, проведено моделирование режимов его работы и методов управления САУ ШД. Анализ результатов моделиро-

вания определил функциональную зависимость диапазона регулирования от режимов управления.

Результаты, моделирования в рамках проводимых исследований по теме данной работы хорошо согласуются с данными, полученными при регулировке опытного образца контроллера САУ ШД внедренного в производство. Положения 1,2,3,5,6 основных результатов и выводов по выполненной диссертационной работе подтверждают, что основная цель была достигнута.

Основные результаты исследований отражены в следующих работах:

1. Кислицын А.Л., Тарасов А.А. К вопросу измерения электромагнитного момента в высокочастотных электрических машинах // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. — С.43—46.

2. Кислицын А.Л., Тарасов А.А. Разработка дискретного электропривода планшетных графопостроителей // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2002. - С. 110-120.

3. Тарасов А.А. К Вопросу создания и модернизации специальных устройств вывода графической информации // Автоматизация процессов управления. - Ульяновск: ФГУП"НПО"Марс", 2003 -№2 - С.98-103.

4. Кислицын А.Л., Тарасов А.А. Критерии выбора системы управления при создании устройств вывода графической информации // Материалы международной научно-технической конференции. "Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах" - Украина, Севастополь: СевНТУ, 2003. - С.43-44

5. Патент на полезную модель № 2004101082/20 РФ МПК7 G 05 В19/418 от 12.01.04. Контроллер шагового электропривода // Тарасов А.А., Кислицын А.Л., Якунин А.Е., 2004. - Б.И. - №4.

6. Тарасов А.А., Кислицын А.Л. Математическое моделирование режимов работы волнового шагового двигателя // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2004. - С.68-72.

7. Тарасов А.А. Управление устойчивостью реактивного шагового двигателя в переходных процессах // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2004. — С.46-50.

8. Тарасов А.А. Анализ и синтез контроллера систем управления шаговыми двигателями // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2004 - С. 102-108.

9. Тарасов А.А., Кислицын А.Л. Тенденции развития контроллерного управления электроприводами на примере автоматизированных электроприводов // Системы искусственного интеллекта и нейроинформатика. Труды международной конференции ТЗ. "Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике". - Ульяновск: УГТУ, 2004г-С. 129-131.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИН

АЦП - аналогово-цифровой

преобразователь; БП - блок питания; БУ - блок управления; ВГИ - вывод графической информации; Гал.Р. - гальваническая развязка; Дис. -дискретный; ГЧ - генератор частоты; ДТ - датчик тока; ИП - импульсный преобразователь; Н -нагрузка; КД - кодовый датчик; КЛ -ключ;

КУ - ключевое устройство; НС - намагничивающая сила; ПЗУ - постоянное запоминающее

устройство; ПК - преобразователь кода; ПНК - преобразователь напряжение-код; САУ - система автоматического

управления; СН - специальное назначение;

ЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СС - схема сравнения;

ССК - схема сокращения кода;

СЧ -счетчик;

ОКР - опытно-конструкторская работа;

ПК - преобразователь кода;

Рев. -реверсивный;

Т -трансформатор;

Тупр - период дискетного управляющего сигнала;

Тш - время отработки элементарного шага;

УМ - усилитель мощности;

ФРИ - формирователь распределитель импульсов;

ЦАП -цифро-аналоговый преобразователь;

ЦФП - цифро-фазовый преобразователь;

ШД - шаговый двигатель;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

ЭВМ - электронная вычислительная машина;

ЭМУ - электромеханическое устройство.

Автореферат ТАРАСОВ Андрей Анатольевич

КОНТРОЛЛЕРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Подписано в печать 20.04.2004. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Усл. п.л. 1,17 . Уч.-изд.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № 3989

Типография УлГТУ. 432027. Ульяновск, Сев. Венец, 32.

04-1 4585

Введение.

1. Общие принципы контроллерного управления электроприводами.

1.1 Современное состояние контроллерных систем управления.

1.2 Требования к системам управления электромеханических устройств ВГИ.

1.3 Анализ характеристик ШД.

1.4 Проблемы использования шагового электропривода в системах управления.

1.5 Вывод. Возникающие задачи исследования.

2. Специальные требования к алгоритму работы контроллера, методы реализации и анализ структур формирования электрических состояний ШД.

2.1 Учет в алгоритме управления контроллера статических и динамических погрешностей и условий устойчивости ШД в переходных процессах.

2.2 Синтез базового программного алгоритма управления для контроллера шагового электропривода.

2.3 Реализация базовых структур формирования электрических состояний контроллером на основе алгоритма.

2.4 Анализ особенностей базовых структур контроллера, требования к их схемным параметрам.

2.5 Энергетические оценки эффективности управления силовым инвертором контроллера и методы ее повышения.

2.6 Вывод.

3. Синтез контроллерной САУ, схемная реализация контроллера с учетом требований алгоритма работы

3.1 Анализ существующих функциональных и структурных схем САУ ШД. Классификация.

3.2 Общее описание функциональной и структурной схем контроллера САУ ШД в составе ЭМУ ВГИ.

3.3 Анализ и синтез блока управляющего электрическим дроблением шага. Исследование структурной схемы ФРИ в составе контроллера.

3.4 Схемная реализация контроллера с учетом особенностей алгоритма функционирования. Анализ внедрения в производство полезной модели контроллера в составе электромеханического устройства ВГИ.

3.5 Расчет усилителя мощности для базового силового модуля контроллера.

3.6 Вывод.

4. Математическое описание контроллера. Моделирование режимов работы ШД.

4.1 Обоснование идеализированной модели ШД.

4.2 Исследование требований к алгоритму контроллера для общего случая двухфазного ШД.

4.3 Методика определения рационального годографа электрических состояний фаз и угловых моментных характеристик ШД с учетом искажения реального момента.

4.4 Обобщенная модель и граничные оценки привода с электрическим дроблением шага.

4.5 Синтез эквивалентной структурной схемы ШД при управлении на уровне электрического дробления шага. Моделирование режимов работы ШД.

4.6 Вывод

Современное конкурентоспособное производство требует применения гибкой и быстро настраиваемой технологии, которая обеспечивает точное планирование объемов выпуска продукции и частую смену ассортимента моделей. Эти требования приводят к тому что, расширяется номенклатура технологических установок, электромеханических устройств (ЭМУ) и станков, которые должны быть задействованы.

В это же время все большее число электроприводов ЭМУ малой и средней мощности прецизионного типа, комплектуется шаговыми электродвигателями (ШД). ШД как частный случай синхронной машины обладает рядом достоинств: надежность конструкции, минимум затрат для реализации цифрового дискретного управления и контроля [33,26,126]. Однако наилучших характеристик управления электроприводом на базе ШД можно добиться при определенном и достаточно сложном управлении.

Учитывая, что применение микропроцессорного управления позволяет повысить гибкость и производительность производственных мощностей[125,129], а также необходимость унификации систем управления на уровне групп ЭМУ, важной проблемой современного этапа научно-технического развития является исследование и создание универсальных контроллерных систем автоматического управления (САУ) шаговым электроприводом.

Исходя из того, что контроллерное управление шаговым электроприводом остается пока наиболее малоосвоенным, но открывающим большие перспективы для систем управления ЭМУ, решение указанной проблемы обеспечит:

- расширение функциональных возможности и повышение эффективности систем управления шаговым электроприводом;

- удобство модернизации САУ существующих ЭМУ;

- научную базу для синтеза структуры контроллера шагового электропривода специального назначения, уровень характеристик которых сравним с зарубежными аналогами.

Последний из указанных пунктов определен как наиболее значимый в рамках темы диссертации, поэтому отдельную часть исследовательской работы занимают вопросы создания универсального цифрового контроллера на базе отечественной аппаратуры и ЭРИ, входящих в межотраслевой ограничительный перечень.

Структура данного контроллера реализует эффективный метод управления ШД и соответствует тяжелым условиям эксплуатации ЭМУ специального назначения.

Целью работы является совершенствование САУ ШД и улучшение их характеристик, создание структурно-функциональной модели универсального контроллера, которая реализует эффективный метод управления ШД и соответствует условиям эксплуатации ЭМУ специального назначения.

В качестве базы для создания структурно-функциональной модели универсального контроллера выбран, синтез современной контроллерной САУ электромеханического устройства вывода графической информации (ЭМУ ВГИ). Такого рода САУ по реализуемым функциям сопоставима с универсальной, синтез которой требует проведения комплексных научных исследований в разных аспектах, связанных со свойствами электропривода, структурой САУ, алгоритмом управления и выбором аппаратуры.

Основными задачами исследований в работе являются:

- анализ ошибок, возникающих при управлении шаговым электроприводом, исследование особенностей электромеханической части ШД и его предельных возможностей по восприятию управляющей информации, определение требований к структуре контроллерного управления;

- исследование методов формирования управления током в фазах статора ШД и соответствующих им структурных схем, формулирование требований к базовому программному алгоритму управления контроллера;

- определение структуры контролера, обеспечивающей универсальные свойства: управление ШД с разным числом полюсов, реализация сложного вида движений многокоординатного электропривода, исключение узлов кинематического преобразования движения и реализация функций контроллерной САУ электропривода с учетом технологического процесса выполняемого ЭМУ;

- выбор элементной базы, оптимизация аппаратного состава контроллера и проектирование блочно-модульной контроллерной системы управления, которая рассчитана на условия эксплуатации в составе специальных ЭМУ;

- определение математического аппарата, используемого для моделирования процесса управления ШД, анализ качества алгоритма управления и структурной схемы контроллера.

Научная новизна, исследований связанных с темой данной работы состоит в следующем:

- предложена базовая стуктурно-функциональная модель контроллера САУ ШД, на ее основе разработана структурная схема универсального цифрового контроллера шагового электропривода для САУ электромеханических устройств СН. Оригинальность данной модели контроллера подтверждена патентом на полезную модель;

- исследован ряд математических алгоритмов для формирования годографа результирующего тока фаз ШД. Определен базовый алгоритм задания тока в фазах ШД, который обеспечивает квазинепрерывный годограф результирующего тока. Данный алгоритм отличается от традиционных тем, что позволяет учесть ошибки, вносимые аппаратурой САУ ШД, конструкцией электропривода, параметрами управляющего сигнала (частота, коэффициент дробления элементарного шага);

- предложен графоаналитический метод определения динамической составляющей момента ШД на основе предельных динамических характеристик. Данный метод, в отличие от других, более эффективен в практике синтеза САУ, которые используют в алгоритме управления переходными процессами ШД функциональную связь между частотой управления и током его фаз;

- определены требования к программному алгоритму управления ШД в переходных процессах на базе разработанного графоаналитического метода определения динамической составляющей момента ШД. Эти требования обеспечили расширение диапазона управления ШД по частоте выше частоты приемистости, что позволило уменьшить массогабаритные характеристики и стоимость шагового электропривода в ЭМУ, сократить состав аппаратуры управления ШД;

- предложена классификация структур управления ШД, которая по сравнению с традиционными классификациями основана на параметрах САУ, влияющих на качественные свойства шагового электропривода. Данная классификация позволяет свести синтез САУ ШД к нескольким основным типам САУ. На основе классификации были проанализированы эквивалентные схемы описания ШД в структурных схемах САУ, реализующих разные способы управления;

- разработана подробная структурная эквивалентная схема модели ШД на основе математических уравнений, описывающих электромеханические процессы формирования тока в отдельных фазах ШД. Данная математическая модель позволила исследовать функциональные зависимости характеристик САУ ШД от режимов управления, формируемых различными методами электрического дробления шага;

- определены практические рекомендации по реализации электрических схем, конструкции и аппаратному составу контроллеров САУ электропривода для ЭМУ различного назначения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

- результаты работы применены в разработке схемы контроллерной САУ шаговым электроприводом планшетного графопостроителя СН, получен акт внедрения. Данное устройство соответствует группе устройств с тяжелыми условиями эксплуатации. Оно превосходит по характеристикам известные отечественные аналоги. Практическую значимость предложенной модели доказывает обеспечение характеристик ЭМУ на уровне лучших зарубежных аналогов, при использовании отечественной элементной базы и функциональной ориентации структурной схемы на перспективный шаговый электропривод. В сравнении с известными зарубежными аналогами она имеет существенный экономический эффект от внедрения.

Таким образом, диссертация представляется самостоятельной законченной работой, при этом дальнейшее развитие темы данной работы намечается лишь в более узком контексте, в части исследования специализированных САУ и конструкций ШД. Это не предполагает дополнительных исследований на уровне общих результатов работы, а также их пересмотра на настоящем уровне развития микропроцессорных технологий и шагового электропривода. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

Заключение

Представленная работа является составной частью исследований, которые проводились ФГУП НПО "Марс" при разработке САУ электроприводом электромеханического устройства ВГИ специального назначения. Исследование и формирование теоретических основ и определение технических принципов создания контроллеров САУ ШД велось применительно к решению важных практических задач по улучшению характеристик и потребительских свойств ЭМУ специального назначения.

В результате проведенных исследований задача совершенствования САУ ШД и создания универсального контроллера шагового электропривода для систем управления ЭМУ специального назначения практически полностью решена, кроме того, основные результаты и выводы обладают новизной и подходят для использования в системах управления ЭМУ широкого применения.

Большое внимание в работе уделено формированию необходимых теоретических основ для создания универсального контроллера в том числе:

- в анализе статических и динамических ошибок управления ШД показано, что изменение величины электрического шага в сочетании с выбором частоты внешних команд можно осуществить точное позиционирование с назначенным значением угловой ошибки;

- установлено, что задача дробления шага сводится к построению годографа результирующего тока машины, при котором привод описывается уравнениями идеализированной синхронной машины;

- введение обратной связи по току в систему управления обеспечивает устойчивую работу привода в диапазоне частот выше частоты приемистости и позволяет управлять переходными процессами на всем диапазоне предельных механических характеристик;

- обосновано, что метод формирования управления и структура контроллера обеспечивают широкий диапазон характеристик шагового электропривода за счет учета особенностей свойств и достоинств ШД. Они обеспечивают относительную независимость от кинематики, устройства, при этом гибкость настроек параметров функционирования лежит в области программного алгоритма.

Основные задачи исследований, поставленные в работе были определены в виде:

- анализ ошибок, возникающих при управлении шаговым электроприводом, исследование особенностей электромеханической части ШД и его предельных возможностей по восприятию управляющей информации, обоснование общих требований к структуре контроллерного управления;

- исследование методов формирования управления током в фазах статора ШД и соответствующих им структурных схем, формулирование требований к базовому программному алгоритму управления контроллера;

- определение структуры контролера, обеспечивающей универсальные свойства: управление ШД с разным числом полюсов, реализация сложного вида движений многокоординатного электропривода, исключение узлов кинематического преобразования движения и настройка функций контроллерной САУ электропривода ЭМУ к технологическому процессу;

- выбор элементной базы, оптимизация аппаратного состава контроллера и проектирование блочно-модульной контроллерной системы управления, которая рассчитана на тяжелые условия эксплуатации в составе специальных ЭМУ;

- определение математического аппарата, используемого для моделирования процесса управления ШД, анализ качества алгоритма управления и структурной схемы контроллера.

Анализ выводов, сделанных по результатам в работы, говорит, что все перечисленные задачи были рассмотрены, а содержащаяся в результатах работы практическая ценностью свидетельствует о грамотной постановке задач.

Практическая ценность основных результатов работы заключается в трех пунктах:

- предложена структурно-функциональная модель универсального контроллера САУ многокоординатным шаговым электроприводом. Данная модель предполагает создание унифицированной блочно-модульной конструкции с оптимизированным аппаратным составом, рассчитана на ШД с разным числом полюсов, обладает расширенными функциональными возможностями гибкой настройки к требованиям изменяющегося технологического процесса. Данная модель контроллера предназначена для широкого применения среди систем прецизионного управления многокоординатным шаговым электроприводом малой и средней мощности в гибких автоматизированных ЭМУ.

- предложена новая схема блока формирователя распределителя импульсов контроллера (ФРИ). В отличие от известных зарубежных аналогов, внедренный в производство контроллер позволяет увеличить разрешающую способность функции

ШИМ, реализуемую блоком ФРИ относительно базовой частоты микропроцессора-ядра контроллера, при сохранении требуемого уровня точности задания сигнала тока в фазах ШД. Блок ФРИ также позволил принципиально отказаться от прямого управления контроллером силовыми инверторами, что распространено в зарубежной практике, но при несущественном снижении цены ЭМУ СН увеличивает вероятность отказа САУ.

1. A.c. 2061911 (ФРГ). Elektronische Speiseschaltung für einen Schrittmotor licentia Patent- Ver-walt. Gmb H. -Заявл. 16. 12.70; Опубл.25.08.73; МКИ H02 p 8/00.

2. А.с.474892 (СССР). Устройство для управления многофазным электродвигателей /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский И.О., Кожин С.С. и др.-3аявл.26.03.76; Опубл. в БИ, 1975, №23;МКИ Н02 р 7/00.

3. А.с.476286 (СССР). Линейный шаговый электропривод /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А.-Заявл. 12.02.73; Опубл. в БИ, №25, 30.04.74; МКИ Н02 к 33/18.

4. А.с.484495 (СССР). Следящий привод. /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Кожин С.С. и др.-Заявл. 18.06.73; Опубл. в БИ, №34, 1975.

5. А.с.499641 (СССР). Устройство для управления многофазным электродвигателем, /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Конин С.С, и др.-3аявл.28,05.73; Опубл. в БИ, №2, 1976.

6. А.с.555527 (СССР). Устройство для управления многофазным электродвигателем. /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Кожин С.С. И др.-Заявл.25.10.74; Опубл. в БИ, №15,1977.

7. А.с.817965 (СССР). Устройство для управления шаговым двигателем /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Мелкумов Г.А., Кожин С.С. и др.-3аявл.07.05.79; Опубл. в БИ, 1981, №12; МКИ НО 2 р 8/00.

8. A.c.888135 (СССР). Устройство для программного управления объектом. /Авт.изобрет. Рубцов В.П., Соколов С.А., Кожин С.С., Чемеричко Н.р.-3аявл.31.03.80; Опубл. в.БИ, №45,1981.

9. А.с.915200 (СССР). Способ управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага и устройство для его реализации. / Ивоботенко Б.А., Соколов Ю.А., Козин С.С. и др-Заявл.14.11.79; Опубл. в БИ, №11, 1982.

10. A.c.959214 (СССР). Устройство для управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А. Мелкумов Г.А., Кожин С.С. и др.-Заявл. 12.12.80; Опубл. в БИ, 1982, №34; МКИ Н02 р 7/00.

11. А.с.964950 (СССР). Устройство для старт-стопного управления шаговым двигателем /Авт.изобрет. Кожин С.С., Кузьмин Г.Я., Прозоров Ю.Т. и др.-Заявл.06.03.81; Опубл. в БИ,1982, №37; МКИ Н02 р 8/00.

12. Аберман Л.Г., Консон Е.Д., Русаков С.Ю. Графопостроитель с микропроцессорным управлением // Приборы и системы управления. 1991.№1.

13. Автоматические системы и приборы с шаговыми двигателями Ш.Ю. Исмаилов Энергия М1968 с. 136

14. Алексеев-Мохов С.Н, Двигатели с катящимся и гибкий ротором: Докторская дисс.-М.:

15. Моск.энерг.ин-т, 1975, с.20.

16. Арутюнян В.Ш. Многорежимный универсальный коммутатор фаз m-фазного реверсивного шагового двигателя II Электротехника,-1974. №7 С.21-26.

17. Архангельский Н.Л., Чистосердов В.Л. Формирование алгоритмов управления в частотно-управляемом электроприводе // Электротехника. 1994. №3.

18. Афонин С.М. Статические и динамические характеристики шагового электродвигателя // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2003. №12.- С.14-15

19. Ахметов М. 8-разрядные RISK микроконтроллеры II Chip News. 1999. - №10 - С. 2-6

20. Ахунов Т.А., Макаров Л.Н., Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г. Вентильно-индукгорный электропривод перспективы применения // ПРИВОДНАЯ ТЕХНИКА. - 2001. №2.

21. Балковой А., Петровичев С. Инвертор для прецизионного электропривода // CHIP NEWS. -1998. №8- С.37-38.

22. Барков А.Н. Исследование законов формирования движения рабочих органов промышленных роботов с шаговым приводом: Автореф. канд.дис.-М.: МЭИ, 1978.-20 с.

23. Бизиков В.А., Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е. Управление непосредственными преобразователями частоты М.: Энергоатомиздат, 1985.

24. Блейз Е.С., Данилов Ю.А., Казмиренко В.Ф., и др. Следящие приводы / Под ред. Б.К.Чемоданова, T.1-M.: Энергия, 1976.

25. Бородин В., Мальцев В., Петров С., Попов Ю. Одноплатный контролер на основе MCS-196 системой программирования // Chip News. -1997. №11- С. 10-15.

26. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Привода с частотно-токовым управлением- М.: Энергия, 1974.

27. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990.

28. Бут Д.А. Модификация вентильно-индукторных двигателей и особенности их расчетных моделей // ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, 2000. №7.

29. Бычков М.Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления- Вестник МЭИ, 1998, №3.

30. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирования ветильно-индукторного электропривода: Автореф.дис. д-ра техн.наук. М., МЭИ, 1999.

31. Бычкова Е.В. Обзор современного российского рынка преобразователей частоты для электропривода-Живая электроника России, 2001, т.2.

32. Волох Г. Микроконтроллеры семейства PICM1CRO фирмы MICROCHIP // CHIP NEWS.-1998. №6-7-С.66-69.

33. Высокочастотный шаговый привод с дроблением шага. /Ивоботенко Б.А., Садовский Л.А. и др.-Тр./Моск.энерг.ин-т, 1975, вып.220, С.24-33.

34. Голландцев Ю.А. Пульсации пускового момента вентильного индукторно-реактивного двигателя // ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, -2003. №6- С.37-42.

35. Голубев А.Н., Лапин A.A. Математическая модель синхронного двигателя с многофазной статорной обмоткой // ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, -1998. №9,- С.8-13.

36. Голубев А.Н., Субботин М.В. Математическая модель синхронного двигателя с т-фазной обмоткой для стационарных режимов // ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, -№1/02- С.35-39.

37. Гольдфарб Л.С., Балтрушевич A.B., Круг Г.К. и др. Теория автоматического управления- М. Высшая школа, 1968.

38. Грибачев С., Казаченко В. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instruments TMS320x24x для высокопроизводительных систем встроенного управления электроприводами // Chip News. 1998. №11,№12.

39. Гумен В.Ф., Калининская Т.В. Следящий шаговый электропривод. -Л. :Энергия, 1980,- с.168.

40. Гумен В.Ф., Калининская Т.В. Принципы построения схем управления шаговыми двигателями в режиме электрического дробления основного шага. Электромашин, средства автоматики, Киев,1975, С.131-142.

41. Деменков Н.П., Матвеев В.А., Сенькин A.A., Суханов В.А. Методы, алгоритмы и программные средства проектирования интеллектуальных регуляторов для создания экологически безопасных и энергосберегающих систем // Экологические системы и приборы.2000. №8.

42. Деменков Н.П. Сенькин A.B. Настройка регуляторов методом уравнений синтеза.

43. Измышленные АСУ и контроллеры 2003. №4-С.32-34.

44. Долгий А. Разработка и отладка устройств на МК Радио 2001, N26, с.24-26, №7 с. 19-21, №5-1250