автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Квазиоптимальный по быстродействию синхронно-синфазный электропривод для сканирующих систем

На правах рукописи

ЕМАШОВ Василий Алексеевич

КВАЗИОПТИМАЛЬНЫЙ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ СИНХРОННО-СИНФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ 2013

005058497

Омск-2013

005058497

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет», кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Бубнов Алексей Владимирович

Официальные оппоненты: Харламов Виктор Васильевич, доктор

технических наук, профессор, Омский государственный университет путей сообщения, кафедра ЭМиОЭ, профессор

Руппель Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент, Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия, кафедра АППиЭ, профессор, заведующий кафедрой

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный

технический университет», г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «29» мая 2013 г. в 16:00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.178.03 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050 РФ, г. Омск, пр. Мира, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «26» апреля 2013 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета Хамитов Р.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) характеризуются высокими точностными показателями и широким диапазоном регулирования угловой скорости. Эти особенности обуславливают их частое использование при построении в сканирующих систем и устройств, систем технического зрения современных робототехнических комплексов.

Основы теории проектирования высокоточных синхронно-синфазных электроприводов заложены в работах Р. М. Трахтенберга. Научные исследования в этой области проводились различными авторами. Значительный вклад в решение вопросов построения ССЭ внесли И. В. Булин-Соколов, А. В. Ханаев, А. А. Киселев, М. В. Фалеев, Вл. В. Андрущук, Вас. В. Андрущук, В. Н. Зажирко, А. М. Сутормин, Б. М. Ямановский, В. Г. Кавко, А. В. Бубнов, П. А. Катрич, А. Н. Чудинов и др. На основе этих трудов разработано значительное количестов новых способов регулирования и новые технические решения построения для различных областей применения,.

При построении прецизионных систем электропривода широко используется принцип фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), но вопросы динамики таких систем подвергнуты недостаточно полному рассмотрению. Динамика большинства существующих ССЭ определяется используемым принципом разделения во времени процессов синхронизации и фазирования и алгоритмом работы логического устройства сравнения (ЛУС). В настоящее время разрабатываются фазирующие регуляторы с организацией режима фазирования в режимах насыщения ЛУС. Рассматриваются так же и вопросы применения способа опережающей разблокировки импульсного-частотно фазового дискриминатора (ИЧФД). Однако, вопросы исследования динамики электроприводов, построенных на основе вышеописанных способов регулирования, освещены недостаточно полно. И вопросы повышения их быстродействия остаются актуальными.

Настоящая работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки России «Развитие научного потенциала высшей школы», проекты №2.1.2/4475 и №2.1.2/11230 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем».

Цель диссертационной работы - Целью работы является разработка квазиоптимального по быстродействию синхронно-синфазного электропривода (ССЭ) узла оптико-механической развертки изображения сканирующей системы, что позволяет снизить потери информации в переходных режимах работы.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1) разработать метод численного определения углового ускорения и ошибки по угловой скорости, функционирующий с высокой точностью в широком диапазоне частот вращения электропривода;

3

2) разработать алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией;

3) разработать способ фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием электропривода;

4) проверить результаты теоретических исследований методом имитационного моделирования.

Методы исследования. Алгоритмы работы и средства построения функциональных узлов ССЭ разрабатывались с применением основ теории автоматического управления, теории цепей, теории электрических машин, методов математического моделирования. Для теоретического исследования режима фазирования электропривода применялся метод фазовой плоскости. Для проверки теоретических исследований и разработанных технических решений применялся метод имитационного моделирования в среде МАТЬАВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методы численного определения углового ускорения и ошибки по частоте вращения в режимах насыщения логического устройства сравнения.

2. Алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией.

3. Способ фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием электропривода.

4. Структура системы регулирования углового положения вала электродвигателя.

Научная новизна работы.

1. Разработаны методы численного определения углового ускорения и ошибки по угловой скорости электропривода, построенного на основе принципа фазовой автоподстройки частоты вращения, путем повторяющегося подсчёта импульсов опорной частоты между двумя последовательными ситуациями прихода между двумя соседними импульсами опорной частоты нуля или двух и более импульсов контролируемой частоты в канале обратной связи с последующей математической обработкой результатов измерений

2. Разработан алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией.

3. Разработан способ фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием электропривода.

4. Разработана структура системы регулирования углового положения вала электродвигателя.

Практическая ценность работы.

Практическое значение работы состоит в создании теоретических предпосылок и научно обоснованных технических решений для построения синхронно-синфазного электропривода и его основных узлов.

1. На основе метода численного определения ошибки по угловой скорости разработан алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора, используемого в способе синхронизации электропривода с опережающей разблокировкой импульсного частотно-фазового дискриминатора, что позволяет уменьшить время переходного процесса в электроприводе с фазовой синхронизацией.

2. Разработана схема синхронно-синфазного электропривода с фазирующим регулятором, реализующим алгоритм фазирования в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимапьным по быстродействию регулированием, обеспечивающая повышение быстродействия синхронно-синфазного электропривода, что позволяет уменьшить потери информации в сканирующей системе.

Реализация результатов работы.

Алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора, реализующий метод численного определения ошибки по угловой скорости (№ 50201151534 ВНТИЦ) и разработанная на его основе компьютерная модель синхронно-синфазного электропривода используются при выполнении компьютерных лабораторных работ студентами специальности 210106.65 «Промышленная электроника» при изучении дисциплин «Теория автоматического управления», «Теория автоматического регулирования в электронных цепях и электроприводе», специальности 140211.65 «Электроснабжение» и направления 140200.62 «Электроэнергетика» при изучении дисциплин «Основы теории автоматического управления», «Электрический привод», «Автоматизированный электропривод».

Результаты теоретических исследований включены в заключительный отчет по проекту №2.1.2/11230 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем» Аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки России «Развитие научного потенциала высшей школы»

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

- VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 2009 г.;

- II Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая : передовые технологии - в промышленность», г. Омск, 2009 г.;

- III Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая : передовые технологии - в промышленность», г. Омск, 2010 г.;

- IV Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая : передовые технологии - в промышленность», г. Омск, 2011 г.

- VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 2012 г.;

- научных семинарах кафедры.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе: 5 научных статей в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, 8 публикаций в сборниках трудов научно-технических конференций, 2 патента, 2 программы для ЭВМ, зарегистрированные в фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 110 наименований и приложений. Работа выполнена на 137 страницах основного текста, включая 70 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цель работы, характеризуется научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе рассмотрены основы проектирования сканирующих систем, определены области применения оптико-механических сканирующих систем. На основе анализа показателей назначения (по точности и требования установки начального углового положения, связанного с началом строки сканирования) узла оптико-механической развертки и требований к используемому в нем электроприводу сделан вывод о целесообразности повышения быстродействия синхронно-синфазного электропривода узла оптико-механической развертки изображения с целью уменьшения потерь информации.

Рассмотрены принципы работы ССЭ и его основных узлов. ССЭ строится в виде системы регулирования на основе двух контуров (рис. 1):

- фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ), который обеспечивает высокую точность регулирования угловой скорости;

- фазирования, обеспечивающий установку начального углового положения вала электродвигателя, включающий в себя контур ФАПЧВ, импульсный датчик положения (ДП), и фазирующий регулятор (ФР).

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема синхронно-синфазного электропривода

Потери информации в сканирующей системе в основном определяются быстродействием электропривода. Для его повышения осуществляется сложная организация управления контурами ССЭ с применением различных способов регулирования, при этом существующие системы управления не позволяют достичь максимального быстродействия.

Во второй главе проанализированы существующие способы регулирования ССЭ. Сделан вывод о том, что при регулировании большинства известных ССЭ применяется принцип последовательной стыковки во времени процессов синхронизации и фазирования. Таким образом, становится возможным на интервалах синхронизации и фазирования отдельно проводить исследования динамики ССЭ.

На рис. 2 представлен обобщенный фазовый портрет работы ССЭ, где участок фазовой траектории до точки 1 соответствует синхронизации, а участок 1-0 - начальной установке углового положения вала электропривода.

На основе анализа способов синхронизации электропривода (ЭП) сделан вывод о перспективности дальнейшего усовершенствования способа синхронизации с опережающей разблокировкой логического устройства сравнения, позволяющего повысить быстродействие процесса синхронизации и снизить перерегулирование по угловой скорости.

На основе анализа способов фазирования синхронно-синфазного электропривода по быстродействию сделан вывод о целесообразности организации квазипотимального по быстродействию фазирования электропривода в режимах насыщения ЛУС, что позволит значительно сократить время переходного процесса при выходе электропривода на заданную частоту вращения.

В третьей главе рассмотрены существующие методы численного определения ошибки по частоте вращения. Реализация в большинстве известных ССЭ принципа разделения во времени процессов синхронизации и фазирования обусловлена в первую очередь сложностью определения ошибки по угловой скорости с высокой точностью в режимах насыщения логического устройства сравнения, а известные методы определения этой величины обладают рядом недостатков. Поэтому целесообразно продолжать разработку методов численного определения углового ускорения и ошибки по угловой скорости в переходных режимах работы электропривода.

С целью последующего совершенствования способов регулирования ССЭ предложены методы численного определения углового ускорения и ошибки по частоте вращения электродвигателя (ЭД) в режимах насыщения

7

импульсного частотно-фазового дискриминатора. Численное определение ошибки по угловой скорости предлагается осуществлять путем повторяющегося подсчёта импульсов опорной частоты между двумя последовательными ситуациями прихода между двумя соседними импульсами опорной частоты нуля (0/2) или двух и более (2/2) импульсов контролируемой частоты в канале обратной связи с последующей математической обработкой результатов измерений. Эти ситуации на фазовом портрете разгона электропривода (рис. 3) соответствуют моментам пересечения траектории движения изображающей точки линий переключения режимов работы ЛУС.

Дш

Рис. 3. Фазовый портрет работы синхронно-синфазного электропривода в режиме разгона

Значение ошибки по угловой скорости в режиме разгона электропривода определяется по формуле (для участка АВ)

Аш: -(А>,£„,Т„„/

Аа>.л =-1-!_»_ц!—

" 2Ы,г„7"„,

где фо=2л:/2, г - количество точек ИДЧ, Н - количество импульсов опорной частоты, Т0п - период следования импульсов опорной частоты, Ет - угловое ускорение электропривода, А®, = ^2ет<ра - максимальное значение ошибки по угловой скорости, отработка которой возможна без выхода в режим насыщения ИЧФД.

Для численного определения углового ускорения ЭП предлагается использовать результаты подсчёта импульсов опорной частоты на двух соседних участках траектории (участки АВ и ВС на рис. 3). В этом случае получаем значение углового ускорения из выражения:

с ± 2у0(Л'г - А',)

Г¿,IN1N¡(N2 + NI)•

где Ы, - количество импульсов опорной частоты на участке АВ, N2 -количество импульсов опорной частоты на участке ВС.

Разработанные методы могут быть использованы для повышения качества регулирования ЭП в режимах синхронизации и фазирования.

На основе метода численного определения ошибки по угловой скорости электропривода и алгоритма его программной реализации, на цифровой элементной базе может быть выполнен дополнительный частотный дискриминатор (ЧД) (рис. 4, где СС - схема сравнения)

Разработанный ЧД, предлагается использовать для усовершенствования способа регулирования ЭПФС с опережающей разблокировкой ЛУС (рис. 5), а так же применять при реализации способов установки начального углового положения с предварительным фазированием электропривода, что позволит повысить быстродействие ССЭ.

n.

Рис. 4 - Схема частотного дискриминатора

ичфд

ЧД

ов

Рис. 5. Функциональная схема логического устройства сравнения

Разработан способ фазирования вала ЭД в режимах насыщения ЛУС с квазиоптимальным по быстродействию регулированием ЭП (работа ЭП пояснена фазовым портретом на рис. 8 - фазовая траектория ZABCDHD). Оптимальное по быстродействию регулирование не может быть реализовано вследствие дискретного характера сигналов задания и обратной связи. В основе предложенного способа лежат разработанные методы численного определения ускорения и ошибки по частоте вращения ЭП. Способ заключается в предварительном фазировании (участок ABC фазовой траектории) путем переключения ЭП на определенный рассчитанный временной интервал из режима разгона в режим торможения с последующим обратным переключением в режим разгона при определенной величине ошибки по угловой скорости. В момент времени, соответствующий точке D на фазовом портрете, электропривод переходит в синхронно-синфазный режим работы. При этом суммарное время регулирования составит

где

-2Аш11+2т]Лсо1+е,„&аф0 Д а г—т

/ =-----—-——+—- + 5у/О ,

е„.

&аф0 = [¡Да, | + ]&а21] ■- (|Да, | + |Да21),

1е,

О. =——к - добротность контура по ускорению.

<Ри

Разработана функциональная схема синхронно-синфазного электропривода с фазирующим регулятором, реализованным на основе способа фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения ЛУС с квазиоптимальным по быстродействию регулированием ЭП (рис. 9, где БОФР - блок определения фазового рассогласования, ОГ - опорный генератор, БЧР - блок определения частотного рассогласования, ИДЧ-импульсный датчик частоты, ИЧФД - импульсный частотно-фазовый дискриминатор, УКУ - усилительно-корректирующее устройство, ЭД -электродвигатель, ДП - датчик положения).

Рис. 7 - Разработанная функциональная схема ССЭ

На рис. 8 траектория гАРОРЕОНО соответствует процессу с последовательной стыковкой во времени синхронизации и фазирования, ^ -время регулирования при использовании способа с предварительным фазированием, - время регулирования при использовании процесса с последовательной стыковкой во времени синхронизации и фазирования.

Проведено сравнение двух квазиоптимальных по быстродействию способов регулирования (рис. 9): с фазированием в режимах насыщения ЛУС и с алгоритмом последовательной стыковки во времени процессов синхронизации и фазирования путем нахождения зависимости

I, = '„■ <2 '

где 1рь 1фЬ соответственно, суммарное время регулирования , время разгона и время фазирования при использовании способа с фазированием в режимах насыщения Л УС 12, 1,2, 1ф2 - , соответственно, суммарное время регулирования , время разгона и время фазирования при использовании процесса с последовательной стыковкой во времени синхронизации и фазирования, ^ - время синхронизации.

Рис. 9 - Зависимость отношения ^Лг от количества меток ИДЧ

Сделан вывод о том, что способ с фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения ЛУС обеспечивает уменьшение длительности переходного процесса до 30% в зависимости от начальных условий.

В четвертой главе проведено исследование разработанных способов фазирования и синхронизации в приложении БтиПпк пакета программ

Ма11аЬ. Особенности алгоритма работы блока квазиоптимального по быстродействию фазирования учтены в блоке ФР.

Имитационная модель ССЭ проверена на адекватность с помощью сравнения результатов моделирования синхронно-синфазного электропривода ПС-10 с экспериментальными данными. В качестве электромеханического преобразователя в моделируемом ЭП ПС-10 применен бесконтактный синхронный электродвигатель (СД) с возбуждением от

постоянных магнитов ДС-9 (ет = 10с1 и ен/Ет<0.07) , кроме того

использован ИДЧ сг = 4800 (<р0 = 2л/г — 1.31-10"3 рад). На основе ЭД ДС-9 выполнен БДПТ с применением системы релейного частотно-токового управления СД.

В имитационной модели, при сравнении методов регулирования ССЭ, предложенных в диссертационной работе, был изменен алгоритм переключений между режимами разгона и торможения электропривода, подвергнутыми моделированию. При этом не подвергались изменению передаточные функции системы регулирования в каждом из возможных режимов работы ССЭ. Таким образом, результаты моделирования можно считать достоверными.

Было проведено моделирование ЭП с усовершенствованным методом опережающей разблокировки ИЧФД и с обычным способом синхронизации..

В таблице 1 приведены численные значения результатов исследования имитационной модели. На рис. 10 приведены фазовые портреты работы контура ФАПЧВ ССЭ с обычным алгоритмом работы и с усовершенствованным методом опережающей разблокировки ИЧФД. Из представленных результатов можно сделать вывод о том, что с помощью усовершенствованного способа синхронизации ССЭ с опережающей разблокировкой ИЧФД достигается уменьшение длительности переходного процесса на 28% и снижение перерегулирования.

Таблица 1

Динамические показатели качества регулирования электропривода при фазовой синхронизации

Показатель качества регулирования ЭП сканирующих систем Обычный алгоритм работы ЛУС при 0)3= 60 - 6000 об./мин. Алгоритм работы ЛУС с опережающей разблокировкой ИЧФД ш3= 60 - 6000 об./мин.

перерегулирование по угловой скорости - о 2,5-0,025 %, 0,3-0,003 %

время фазовой синхронизации - 1фс (нач. условия Д<о = ДсоЛ Да = ~ч>о12) 0,07 с 0,05 с

Рис. 10. Фазовые портреты работы контура фазовой автоподстройки частоты вращения

Проведено моделирование трех способов регулирования ЭП, при этом использовались три фазирующих регулятора, обеспечивающие наиболее высокое быстродействие: квазиоптимального по быстродействию с последовательной стыковкой во времени процессов синхронизации и фазирования, предварительного фазирования с постоянной скоростью доворота вала электродвигателя, предварительного фазирования с квазиоптимальным по быстродействию регулированием. Численные значения показателей качества регулирования ЭП приведены в таблице 2.

Таблица 2

Динамические показатели качества регулирования электропривода при фазировании

Показатель качества регулирования ЭП сканирующих систем Способ квазиоптимального регулирования с последовательной стыковой процессов синхронизации и фазирования при &Ь= 200 об./мин. Способ предварительного фазирования с постоянной скоростью доворота при (01= 200 об./мин. Способ предварительного фазирования с квазиоптимальным по быстродействию регулированием при со3= 200 об./мин.

перерегулирование по угловой скорости - о 28% 0,8% 0,5%

время регулирования, 1р 3,28с. 2,72с. 2,52 с

время фазирования, 1ф шах 1,12с. 0,56с. 0,36с

На рис. 11а и рис. 116 представлены временные диаграммы и фазовые портреты перехода электропривода в синхронно-синфазный режим работы. Выбор начальных условий происходил из условия максимальной длительности фазирования.

Из представленных результатов сравнения способов регулирования с применением трех различных алгоритмов фазирования можно сделать вывод о том, что способ предварительного фазирования с квазиоптимальным по быстродействию регулированием характеризуется наиболее высоким

13

быстродействием и низким перерегулированием. Суммарное время регулирования по сравнению со способом квазиоптимального регулирования с последовательной стыковой процессов синхронизации и фазирования уменьшилось на 23%, длительность фазирования - на 68%. По сравнению со способом предварительного фазирования с постоянной скоростью доворота вала электродвигателя суммарное время регулирования уменьшилось на 7%, длительность процесса фазирования сократилась на 36%.

—~—~ Способ пдамригслкяого фиироваюи с хвижлпимлмык по билрожйстмю ретувфоыяяеы — — — — — Способлредорктсптсофюядоигасгостопдойсгсфостыодогороп

...■•••.. Способ одтоптюояыюп) по былродеПстоо ротжромхмд с посдсдомтопной спасовкой во ...■•••.. „досяя процессе* сюоцммпшил к фвэнромюи

а

¿Ш,Об/иИН

Рис. 11. Выход электропривода на синхронно-синфазный режим работы (а - временные диаграммы;б - фазовые портреты)

Проведено исследование имитационной модели системы под нагрузкой при разных значениях Д<£>„ начала регулирования с использованием фазирования в режиме насыщения ЛУС с квазиоптимальным по быстродействию регулированием Численные значения показателей качества регулирования представлены в таблице 3. На рис. 12 и рис. 13 представлены временные диаграммы и фазовые портреты перехода электропривода в синхронно-синфазный режим работы.

Рис. 12. Временные диаграммы выхода электропривода на синхронно-синфазный режим

работы

Таблица 3

Динамические показатели качества регулирования электропривода при фазировании

Показатель качества регулирования ЭП сканирующих систем Д(0„= 150 об./мин. Дсон = 120 об./мин. Дсон= 100 об./мин.

время регулирования -1„ 5,84с. 5,90с. 6с

время фазирования - 1ф тах 0,24с. 0,30с. 0,40с

Рис. 13. Фазовые портреты выхода электропривода на синхронно-синфазный режим

работы

Уменьшение времени, затрачиваемого на регулирование ССЭ, ведет к минимизации потерь информации в следящей системе при переходе со скорости на скорость.

Полученные результаты подтверждают достоверность проведенных теоретических исследований.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и выводы.

В приложение вынесен: акт использования результатов диссертационной работы

Основные результаты и выводы.

1. На основе анализа показателей назначения (по точности и требования установки начального углового положения, связанного с началом строки сканирования) узла оптико-механической развертки и требований к используемому в нем электроприводу сделан вывод о целесообразности повышения быстродействия синхронно-синфазного электропривода узла оптико-механической развертки изображения с целью уменьшения потерь информации путем организации фазирования в режимах насыщения логического устройства сравнения.

2. Разработаны методы численного определения углового ускорения и ошибки по угловой скорости электропривода, построенного на основе принципа фазовой автоподстройки частоты вращения, путем повторяющегося подсчёта импульсов опорной частоты между двумя последовательными ситуациями прихода между двумя соседними импульсами опорной частоты нуля или двух и более импульсов контролируемой частоты в канале обратной связи с последующей математической обработкой результатов измерений

3. Разработан алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора на основе предложенного метода численного ошибки по частоте вращения.

4. Предложено усовершенствование способа синхронизации ССЭ с опережающей разблокировкой логического устройства сравнения на основе численного определения ошибки по угловой скорости.

5. Разработан способ фазирования вала ЭД в режимах насыщения ЛУС с квазиоптимальным по быстродействию регулированием ЭП.

6. Исследованы в программном пакете МАТЬ А В компьютерные модели контура ФАПЧВ и синхронно-синфазного электропривода, реализующие предложенные способы регулирования, полученные результаты моделирования подтверждают достоверность результатов проведенных теоретических исследований.

Список опубликованных работ, отражающих основные научные результаты диссертации:

1. Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А. Эффективный способ регулирования электропривода с фазовой синхронизацией // Известия вузов. Электромеханика. 2011. № 5. С. 46-49.

2. Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А. Алгоритм работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора и его реализация в приложении БтиПпк пакета программ МАТЬАВ // Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». 2010. № 3(93). С. 123-127.

3. Бубнов А. В., Емашов В. А, Чудинов А. Н. Способ косвенного определения ошибки по частоте вращения в электроприводе с фазовой синхронизацией в режиме насыщения логического устройства сравнения //

16

Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». 2011. № 1(97). С. 99-103.

4. Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А. Способ улучшения динамики электропривода с фазовой синхронизацией на основе косвенного определения ошибки по частоте вращения в режимах насыщения логического устройства сравнения // Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». 2011. № 1(97). С. 103-106.

5. Бубнов А. В., Гокова М. В., Емашов В. А., Чудинов А. Н. Оценка быстродействия синхронно-синфазного электропривода в режимах фазирования // Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». 2012. № 3(113). С. 248-252.

6. Пат. 2462809 Российская Федерация, МПК Н02Р 6/06. Стабилизированный электропривод / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А.. - №2011120657/07; заявл. 20.05.2011, опубл. 27.09.2012. Бюл. №27. - 12 с.

7. Пат. 2475932 Российская Федерация, МПК Н02Р 5/52, G05D 13/62. Способ фазирования вращающегося вала электродвигателя и устройство для его осуществления / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А.. -№2011137915/07; 14.09.2011, опубл. 20.02.2013. Бюл. №5.

8. Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А. Алгоритм работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора. М.: ВНТИЦ, 2010. № 50201000460.

9. Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В.А. Алгоритм работы компьютерной модели дополнительного частотного дискриминатора систем фазовой автоподстройки частоты. М.: ВНТИЦ, 2011. № 50201151534.

10. . Емашов В. А. Особенности проектирования оптико-механических сканирующих обзорно-поисковых систем // Россия молодая : передовые технологии - в промышленность : матер. II Всерос. молодежи, науч.-техн. конф. Омск, 2009. Кн. 3. С. 29-33.

11. Бубнов А. В., Емашов В. А., Катрич А. П., Митяев А. Н. Сравнительный анализ способов фазирования синхронно-синфазного электропривода по быстродействию // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VII Междунар. науч.-техн. конф. Омск, 2009. Кн. 1. С. 121125.

12. Бубнов А. В., Емашов В. А, Виноградова Я. В., Чудинов А. Н. Особенности формирования корректирующих сигналов в электроприводе с фазовой синхронизацией в режимах насыщения логического устройства сравнения // Россия молодая : передовые технологии - в промышленность : матер. III Всерос. молодежи, науч.-техн. конф. Омск, 2010. Кн. 2. С. 22-25.

13. Бубнов А. В., Емашов В. А, Харченко Е.Ф., Чудинов А. Н. Исследование влияния структуры и параметров фильтра нижних частот на выходе логического устройства сравнения на динамику электропривода с фазовой синхронизацией // Россия молодая : передовые технологии - в промышленность : матер. III Всерос. молодежи, науч.-техн. конф. Омск, 2010. Кн. 2. С. 25-29.

14. Бубнов А. В., Емашов В. А., Чудинов А. Н. Способ фазирования синхронно-синфазного электропривода с оптимальным по быстродействию регулированием // Россия молодая : передовые технологии - в промышленность : матер. IV Всерос. молодежи, науч.-техн. конф. Омск,

2011. Кн. 2. С. 27-29.

15. Бубнов А. В., Гвозденко К. Н., Емашов В. А. Повышение быстродействия синхронно-синфазного электропривода за счет использования алгоритма работы частотного дискриминатора с косвенным определением ошибки по частоте вращения // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VIII Междунар. науч.-техн. конф. Омск, 2012. Кн. 1. С. 9699.

16. Бубнов А. В., Емашов В. А., Харченко Е. Ф. Способ определения углового ускорения синхронно-синфазного электропривода // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VIII Междунар. науч.-техн. конф. Омск,

2012. Кн. 1.С. 99-102.

17. Бубнов А. В., Емашов В. А., Чудинов А. Н. Способ фазирования синхронно-синфазного электропривода с квазиоптимальным по быстродействию регулированием и его моделирование в приложении Simulink пакета программ Matlab // Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VIII Междунар. науч.-техн. конф. Омск, 2012. Кн. 1. С. 106-110.

Личный вклад автора в совместных публикациях: в работе [1, 16] разработан метод численного определения углового ускорения в режимах насыщения логического устройства сравнения путём подсчёта импульсов опорной частоты между двумя последовательными ситуациями прихода между двумя соседними импульсами опорной частоты нуля или двух и более импульсов частоты в канале обратной связи и последующей математической обработки результатов измерений; в работах [2, 4, 9, 13, 17] проведено компьютерное моделирование ССЭ в различных режимах работы; в работах [3, 11] разработан метод численного определения ошибки по частоте вращения в режимах насыщения логического устройства сравнения путём подсчёта импульсов опорной частоты между двумя последовательными ситуациями прихода между двумя соседними импульсами опорной частоты нуля или двух и более импульсов частоты в канале обратной связи и последующей математической обработки результатов измерений; в работах [5, 11] проведена оценка быстродействия ССЭ в режимах фазирования; в работах [6, 8, 9] проведено исследование компьютерной модели ЛУС; в работах [7, 14, 17] разработан способ предварительного фазирования ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию регулированием ЭП; в работах [9, 15] разработан алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора на основе предложенного способа определения ошибки по частоте вращения; в работе [15] предложено использовать косвенное определение ошибки по частоте вращения в способе синхронизации ССЭ с опережающей разблокировкой логического устройства сравнения, реализованный с использованием косвенного определения ошибки по угловой скорости.

18

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 23.04.2013. Формат 60х84'/|6. Отпечатано на дупликаторе. Бумага офсетная. Усл.печ.л. 1.25. Уч.-изд.л. 0,71. Тираж 130. Заказ № 12.

Типография: 644050, 0мск-50, пр. Мира. 11. Омский государственный технический университет, кафедра «Дизайн и технологии медиаиндустрии»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный

технический университет»

КВАЗИОПТИМАЛЬНЫИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ СИНХРОННО-СИНФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Бубнов А.В.

Омск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. СИНХРОННО-СИНФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 14 КАК ОСНОВА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ОБЗОРНО-ПОИСКОВЫХ СИСТЕМ

1.1. Принципы построения обзорно-поисковых систем 14

1.2. Требования к электроприводу, используемому в оптико- 20 механических обзорно-поисковых системах

1.3. Структура синхронно-синфазного электропривода 21

1.3.1. Электропривод с фазовой синхронизацией как средст- 23 во обеспечения высокой скорости регулирования

1.3.2. Фазирование электропривода как средство обеспечения 29 установки начального углового положения сканирующей системы

1.4. Бесконтактный двигатель постоянного тока 31

1.5. Выводы 34 ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО- 35 СИНФАЗНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

2.1. Классификация способов регулирования электропривода с 35 фазовой синхронизацией

2.2. Способы фазирования синхронно-синфазного электропри- 42 вода

2.2.1. Способ фазирования с пошаговым доворотом вала 42 электродвигателя

2.2.2. Способ фазирования с постоянной скоростью доворо- 47 та вала электродвигателя

2.2.3. Способ фазирования с пропорциональной угловой 50 ошибке скоростью доворота вала электродвигателя

2.2.4. Способы фазирования с оптимальным и квазиопти- 52 мальным по быстродействию регулированием

2.2.5. Способ предварительного фазирования с постоянной 55 скоростью доворота вала электродвигателя

2.2.6. Сравнение способов фазирования по быстродействию 57

2.3. Принцип разделения во времени процессов синхронизации 60 и фазирования

2.4. Выводы 65 ГЛАВА 3. ПОВЫШЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ СИНХРОННО- 66 СИНФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Разработка метода численного определения ошибки по 66 частоте вращения электродвигателя в режимах насыщения импульсного частотно-фазового дискриминатора

3.2. Метод численного определения углового ускорения элек- 76 тропривода.

3.3. Алгоритм работы дополнительного частотного 80 дискриминатора.

3.4. Разработка способа фазирования в режимах насыщения 84 логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием и устройства для его осуществления

3.5. Оценка времени регулирования в переходных режимах 89 работы синхронно-синфазного электропривода

3.6. Выводы 95 ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 97 СИНХРОННО-СИНФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1. Математическая модель контура фазовой автоподстройки 97 частоты вращения синхронно-синфазного электропривода

4.2. Выбор компьютерной модели импульсного частотно- 106

фазового дискриминатора

4.3. Анализ работы контура фазовой автоподстройки частоты 107 вращения синхронно-синфазного электропривода с опережающей разблокировкой импульсного частотно-фазового дискриминатора

4.4. Имитационное моделирование синхронно-синфазного 112 электропривода

4.5. Выводы 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ Акт использования результатов диссертационной работы

122

124

137

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БДПТ - бесконтактный двигатель постоянного тока

БЗЧ -блок задания частоты

БИД - блок импульсных датчиков

БОУР - блок определения углового рассогласования

БОЧР - блок определения частотного рассогласования

БР - блок регулирования

БФДЧ - блок формирования дополнительной частоты

ВУ - вычислительное устройство

ГВЧ - генератор высокой частоты

Д—>К - преобразователь длительность-код

ДМ - демодулятор

ДП - импульсный датчик положения ротора

ДПР - датчик положения ротора

ДТ - датчик тока

ЗУ - запоминающее устройство

ИДЧ - импульсный датчик частоты вращения

ИЧФД - импульсный частотно-фазовый дискриминатор

КУ - корректирующее устройство

ЛАЧХ - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ЛБ - схема логической блокировки ЛУС - логическое устройство сравнения НЭ - нелинейный элемент ОВ - одновибратор

ОМР - оптико-механическая развертка

П - перемножитель

ПК - преобразователь кода

П—>К - преобразователь период-код

ПЧН - преобразователь частота-напряжение

РЭ - релейный элемент

САУ - система автоматического управления

СВХ - схема выборки-хранения

СД - синхронный двигатель

СИ - счетчик импульсов

СМ - смеситель

СП - силовой преобразователь

СС - схема сравнения

ССЭ - синхронно-синфазный электропривод

СТ - счетчик импульсов

УК - управляемый ключ

УПМ - устройство позиционной модуляции

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты

ФАПЧВ - фазовая автоподстройка частоты вращения

ФД - фазовый дискриминатор

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФП - фотоприемник

ФР - фазирующий регулятор

ЧТУ - частотно-токовое управление

ЧД - частотный дискриминатор

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЭД - электродвигатель

ЭЗ - элемент задержки

ЭП - электропривод

ЭПФС - электропривод с фазовой синхронизацией - регистр

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) характеризуются высокими точностными показателями и широким диапазоном регулирования угловой скорости. Эти особенности обуславливают их частое использование при построении в сканирующих систем и устройств, систем технического зрения современных робототехнических комплексов.

Основы теории проектирования высокоточных синхронно-синфазных электроприводов заложены в работах Р. М. Трахтенберга. Научные исследования в этой области проводились различными авторами. Значительный вклад в решение вопросов построения ССЭ внесли И. В. Булин-Соколов, А. В. Ханаев, А. А. Киселев, М. В. Фалеев, В л. В. Андрущук, Вас. В. Андрущук, В. Н. Зажирко, А. М. Сутормин, Б. М. Ямановский, В. Г. Кавко, А. В. Бубнов, П. А. Катрич, А. Н. Чудинов и др. На основе этих трудов разработано значительное количестов новых способов регулирования и новые технические решения построения для различных областей применения,.

На основе принципе фазовой автопродстройки частоты (ФАПЧ) реализуется электропривод с фазовой синхронизацией (ЭПФС), служащий основой для построения ССЭ [99].

В электроприводе (в сравнении с высокоточными цифровыми электроприводами [40]) обеспечиваются высокие точностные показатели за счет следующих факторов, благодаря использованию принципа ФАПЧ [61]:

- необходимая точность импульсного сигнала задания обеспечивается за счет использования кварцевого генератора в блоке задания частоты, в то время как в цифровом электроприводе для этого необходимо увеличивать количество разрядов двоичного кода задания, что значительно усложняет систему регулирования;

- благодаря использованию логического устройства сравнения, применение принципа ФАПЧ обеспечивает в системе регулирования также

идеальный астатизм по частоте вращения и небольшую погрешность операции определения фазового рассогласования входных частот /оп и /ос;

- в то время, как погрешность используемого в ЭПФС фотоэлектрического импульсного датчика частоты (ИДЧ) вращения определяется точностью нанесения меток, которая может быть обеспечена значительно выше по сравнению с угловым расстоянием между соседними метками датчика, в электроприводах, построенных на микропроцессорных системах, [40] погрешность датчика угла с аналогичным количеством меток г определяется угловым расстоянием между двумя соседними метками, участвующими в формировании младшего разряда выходного цифрового сигнала датчика.

При построении прецизионных систем электропривода широко используется принцип фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), но вопросы динамики таких систем подвергнуты недостаточно полному рассмотрению. Динамика большинства существующих ССЭ определяется используемым принципом разделения во времени процессов синхронизации и фазирования и алгоритмом работы логического устройства сравнения (ЛУС). В настоящее время разрабатываются фазирующие регуляторы с организацией режима фазирования в режимах насыщения ЛУС. Рассматриваются так же и вопросы применения способа опережающей разблокировки импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД). Однако, вопросы исследования динамики электроприводов, построенных на основе вышеописанных способов регулирования, освещены недостаточно полно. И вопросы повышения их быстродействия остаются актуальными.

Настоящая работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки России «Развитие научного потенциала высшей школы», проекты №2.1.2/4475 и №2.1.2/11230 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем».

Цель диссертационной работы - Целью работы является разработка квазиоптимального по быстродействию синхронно-синфазного электропривода (ССЭ) узла оптико-механической развертки изображения сканирующей системы, что позволяет снизить потери информации в переходных режимах работы.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1) разработать метод численного определения углового ускорения и ошибки по угловой скорости, функционирующий с высокой точностью в широком диапазоне частот вращения электропривода;

2) разработать алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией;

3) разработать способ фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием электропривода;

4) проверить результаты теоретических исследований методом имитационного моделирования.

Методы исследования. Алгоритмы работы и средства построения функциональных узлов ССЭ разрабатывались с применением основ теории автоматического управления, теории цепей, теории электрических машин, методов математического моделирования. Для теоретического исследования режима фазирования электропривода применялся метод фазовой плоскости. Для проверки теоретических исследований и разработанных технических решений применялся метод имитационного моделирования в среде МАТЪАВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методы численного определения углового ускорения и ошибки по частоте вращения в режимах насыщения логического устройства сравнения.

2. Алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией.

3. Способ фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием электропривода.

4. Структура системы регулирования углового положения вала электродвигателя.

Научная новизна работы.

1. Разработаны методы численного определения углового ускорения и ошибки по угловой скорости электропривода, построенного на основе принципа фазовой автоподстройки частоты вращения, путем повторяющегося подсчёта импульсов опорной частоты между двумя последовательными ситуациями прихода между двумя соседними импульсами опорной частоты нуля или двух и более импульсов контролируемой частоты в канале обратной связи с последующей математической обработкой результатов измерений

2. Разработан алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией.

3. Разработан способ фазирования вала электродвигателя в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием электропривода.

4. Разработана структура системы регулирования углового положения вала электродвигателя.

Практическая ценность работы.

Практическое значение работы состоит в создании теоретических предпосылок и научно обоснованных технических решений для построения синхронно-синфазного электропривода и его основных узлов.

1. На основе метода численного определения ошибки по угловой скорости разработан алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора, используемого в способе синхронизации электропривода с

опережающей разблокировкой импульсного частотно-фазового дискриминатора, что позволяет уменьшить время переходного процесса в электроприводе с фазовой синхронизацией.

2. Разработана схема синхронно-синфазного электропривода с фазирующим регулятором, реализующим алгоритм фазирования в режимах насыщения логического устройства сравнения с квазиоптимальным по быстродействию регулированием, обеспечивающая повышение быстродействия синхронно-синфазного электропривода, что позволяет уменьшить потери информации в сканирующей системе.

Реализация результатов работы.

Алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора, реализующий метод численного определения ошибки по угловой скорости (№ 50201151534 ВНТИЦ) и разработанная на его основе компьютерная модель синхронно-синфазного электропривода используются при выполнении компьютерных лабораторных работ студентами специальности 210106.65 «Промышленная электроника» при изучении дисциплин «Теория автоматического управления», «Теория автоматического регулирования в электронных цепях и электроприводе», специальности 140211.65 «Электроснабжение» и направления 140200.62 «Электроэнергетика» при изучении дисциплин «Основы теории автоматического управления», «Электрический привод», «Автоматизированный электропривод».

Результаты теоретических исследований включены в заключительный отчет по проекту № 2.1.2/11230 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем» Аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки России «Развитие научного потенциала высшей школы»

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

- VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 2009 г.;

- II Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая : передовые технологии - в промышленность», г. Омск, 2009 г.;

- III Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая : передовые технологии - в промышленность», г. Омск, 2010 г.;

- IV Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая : передовые технологии - в промышленность», г. Омск, 2011 г.

- VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 2012 г.;

- научных семинарах кафедры.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе: 5 научных статей в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, 8 публикаций в сборниках трудов научно-технических конференций, 2 патента, 2 программы для ЭВМ, зарегистрированные в фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 110 наименований и приложений. Работа выполнена на 137 страницах основного текста, включая 69 рисунков и 6 таблиц.

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цель работы, характеризуется научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе рассмотрены основы проектирования сканирующих систем, определены области применения оптико-механических сканирующих систем. На основе анализа показателей назначения (по точности и требования установки начального углового положения, связанного с началом строки сканирования) узла оптико-механической развертки и требований к используемому в нем электроприводу сделан вывод о целесообразности повышения быстродействия синхронно-синфазного электропривода узла

оптико-механической развертки изображения с целью уменьшения потерь информации. Рассмотрены принципы работы ССЭ и его основных узлов.

Во второй главе проанализированы существующие способы регулирования ССЭ. Сделан вывод о том, что при регулировании большинства известных ССЭ применяется алгоритм последовательной стыковки во времени процессов синхронизации и фазирования. Таким образом, становится возможным на интервалах синхронизации и фазирования отдельно проводить исследования динамики ССЭ.

В третьей главе разработаны методы численного определения углового ускорения и ошибки по частоте вращения электродвигателя в режимах насыщения импульсного частотно-фазового дискриминатора. Разработан алгоритм работы дополнительного частотного дискриминатора для электропривода с фазовой синхронизацией. Предложено усовершенствование способа синхронизации ССЭ с