автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Микропроцессорные импульсно-фазовые электроприводы информационно-измерительных систем

со

СП о> 1—

т

^ На правах рукописи

см

ФАЛЕЕВ Михаил Владимирович

УДК 68.104-681.811,8

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

(Теория, разработка, исследование, внедрение)

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иваново 1998

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор - Ковчнн С.А. доктор технических наук, профессор - Зайцев А.И. доктор технических наук, профессор - Егоров И.Н.

Ведущая организация -

Научно-исследовательский институт точных приборов (НИИТП), гор. Москва

Защита диссертации состоится в II00 час 29 мая 1998 г. в ауд. Б-237 на заседании диссертационного Совета Д063.10.01 Ивановского государственного энергетического университета по адресу: 153003, гор. Иваново-3, ул. Рабфаковская, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета.

Автореферат разослан 20 апреля 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета ТАРАРЫКИН C.B.

Актуальность темы. Техническое перевооружение промышленности и выход на новые высокие технологии предполагают полную автоматизацию технологических комплексов, которая неразрывно связана с расширением и усложнением функций управления. Поэтому в материалах Международных научно-технических конференций по автоматизированному электроприводу неоднократно подчеркивалось, что для успешного создания устройств, реализующих такие функции необходимо использование нетрадиционных способов построения электропривода, максимально интегрированного с технологическими узлами установок. Несмотря на достигнутые в этом направлении успехи, проблема создания конкурентоспособных, технологичных, объектно-ориентированных электроприводов с отвечающими современным требованиям техническими и эксплуатационными характеристиками не нашла своего окончательного решения.

Потребность в таких приводах велика в станкостроении, робототехнике, различных приборах химической и бумажной промышленности, метрологии, полиграфии, машинах испытательной и медицинской техники, установках слеясения, наведения и обработки данных, а также в авиационном приборостроении. Из всего спектра такого оборудования можно выделить системы, предназначенные для выполнения разнообразных испытаний и считывания данных с различных носителей, в которых реализуемый технологический процесс связан с перемещением или транспортировкой источника данных. Результатом работы таких установок являются оценки свойств исследуемого объекта или информация о данных, записанных на нем определенным способом. Такие объекты обычно являются неотъемлемой частью информационно-измерительным систем (ИИС), предназначенных для проведения комплексных испытаний различных изделий и материалов и преобразования формы представления разнообразной информации. К решающим такие задачи системам можно отнести высокоточные лентопротяжные механизмы, оптико-механические системы развертки и фотонабора, установки для испытания характеристик различных материалов и их соединений, контроля, в том числе и безобразцового, механических свойств разнообразных изделий. Создание последних является одним из приоритетных направлений федерального уровня развития науки и техники, утвержденных 21.07.1996 г. Комиссией по научно-

технической политике в соответствии с постановлением Президента Российской Федерации №884 "О доктрине развития Российской науки".

Анализ технологических процессов, реализуемых в информационно-измерительных системах, показывает, что, несмотря на многообразие решаемых ими задач, требования к электроприводам таких установок имеют много общих черт. Кроме общих, предъявляемых к широкому классу приводов требований, для таких установок необходимо, в первую очередь, обеспечение малых погрешностей стабилизации положения вала (0.2+5 угл. мин) и частоты его вращения (0.5+0.05%) в течение длительного технологического цикла. При этом диапазон изменения скорости перемещения исполнительного механизма достигает 1: (103+105), а абсолютное значение минимальной частоты вращения вала составляет (0.01-5-0.1) об/мин. В силу специфики работы ИИС, связанной с необходимостью обеспечения строгой воспроизводимости режимов испытания и траекторий движения развертывающих устройств, погрешность задания уровня скорости и положения вала и дрейф этих параметров в течение длительного времени не должны превышать (0.005+0.1)%. По характеру решаемых задач такие системы относятся к синхронно-синфазным или следящим за положением вала исполнительного механизма в процессе формирования траектории его движения.

Проблема создания прецизионного электропривода в течение последних десятилетий находится в центре внимания ученых и инженеров, работающих в этой области. Основы построения электроприводов с цифровыми регуляторами, базирующиеся на фундаментальных трудах Цыпкина Я.З., Джури Э., Бесекерского В. А., заложены в работах Кулесского P.A., Слежановского О.В., Киблицкого В. А., Файнштейна В.Г., а также Ковчина С.А., Трахтенберга P.M., Танского Е.А, Хрущева В.В., Староверова Б. А.- для импульсно-фазовых систем. Большой прогресс ее решения в настоящее время обуславливается высоким технологическим уровнем производства современных БИС, а именно микропроцессорных систем, их надежностью и сравнительно низкой стоимостью. На основе этой элементной базы усилиями научных и производственных коллективов, таких как АООТ "Электропривод", ВНИИР (г. Чебоксары), ВНИЮМ, Fanuc (Япония), Siemens

(ФРГ), 1пс1гап^ (ФРГ) и многих др. разработаны микропроцессорные системы управления электроприводами, технические и эксплуатационные возможности которых существенно превосходят уровень, достигнутый за предшествующую историю развития электропривода.

Вместе с тем сам принцип действия цифровых систем создает ряд связанных как с измерением, так и управлением регулируемыми координатами проблем, наличие которых обусловлено дискретизацией измеряемых величин и конечностью времени их обработки. Причем вредное влияние указанных явлений на точностные характеристики электропривода возрастает с расширением диапазона регулирования его скорости. Обычно устранение этого вредного эффекта достигается при увеличении вычислительных возможностей используемых микропроцессоров и разрешающей способности измерительных преобразователей, что приводит к заметному усложнению систем управления и росту затрат на их изготовление. Применение не используемых ранее в прецизионных электроприводах бесконтактных двигателей (БКД), кардинально решающих проблему технологичности конструкции механических узлов ИИС, делает необходимой разработку ориентированных на использование в ИИС способов управления ими, а также технических средств по их реализации.

Широкий спектр требований к электроприводам ИИС, их многофункциональность и жесткая конкуренция на рынке готовой продукции привели к возникновению двух направлений развития такого типа устройств.

Первое направление заключается в дальнейшем совершенствовании электроприводов, в которых весь комплекс задач регулирования и управления основными координатами осуществляется в цифровом виде при минимизации вредного влияния дискретного управления объектами. Решение возникающих при создании таких электроприводов проблем достигается, чаще всего, наращиванием мощности используемых вычислительных устройств. Это направление находится в центре внимания большинства научно-исследовательских, проектных и производственных организаций как в России, так и за рубежом, занимающихся разработкой электроприводов для прецизионных установок.

Второе направление состоит в поиске и использовании технических решений, ориентированных на конкретную сферу

применения ИИС, которые при некотором ограничении ряда эксплуатационных возможностей электропривода, обладали бы высокой конкурентоспособностью в сфере применения, где совокупность достоинств цифрового привода избыточна, а широко понимаемая экономичность электропривода является основным фактором, определяющим эффективность его применения.

Настоящая работа относится ко второму направлению. Область поиска технических решений ограничена ИИС, использующими электроприводы относительно малой мощности (обычно десятки-сотни ватт, реже единицы кВт) , но требующими высоких (5-10Нм) моментов на валу исполнительного механизма или больших скоростей его перемещения.

В основу работы положена не получившая широкого применения в электроприводе, но хорошо зарекомендовавшая себя в измерительных и радиотехнических устройствах концепция построения высокоточных систем на базе контура фазовой синхронизации, в котором регулирование базовых переменных (скорости и положения вала исполнительного двигателя) осуществляется посредством цифровой обработки выделяемого посредством технических средств сигнала фазового рассогласования частотных сигналов обратной связи и задания. Такое построение системы управления позволяет, с одной стороны, освободить вычислительное устройство от решения достаточно простых, но требующих больших затрат времени задач по заданию уровня скорости, что снижает требования к его производительности и дает возможность использовать простые однокристальные микроконтроллеры (МК) . С другой стороны это позволяет усложнить законы управления, что расширяет функциональные возможности проектируемых систем, которые можно определить как импульс-но-фаэовые электропривода (ИФЭП).

В свете изложенного выше актуальность задачи создания электроприводов информационно-измерительных систем обосновывается, с одной стороны, необходимостью преодоления присущих большинству цифровых систем органических недостатков, а с другой стороны, все возрастающей потребностью в высококачественных приводных устройствах, предназначенных для использования в ИИС.

Основным содержанием работы является всестороннее развитие изложенной концепции в теоретическом и практиче-

ском плане, разработка и исследование новых структур такого электропривода и силовых преобразователей, выявление требований к его функциональным блокам и оценка целесообразности и эффективности применения разработанных электроприводов в различных информационно-измерительных системах.

Цель и задачи работы. Основной целью работы является решение важной научно-технической проблемы анализа, синтеза и практического создания микропроцессорных импульс-но-фазовых электроприводов для информационно-измерительных систем.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих основных задач;

1.Разработка рациональных структур многофункциональных электроприводов, определение круга задач, решаемых на программном и аппаратном уровне, а также состава и конфигурации технических средств и алгоритмов реализации программного обеспечения.

2.Разработка адекватных рассматриваемому классу электроприводов математических моделей, учитывающих особенности цифровых регуляторов, устройств по обработке частотных сигналов, используемых электродвигателей и способов управления ими, что обеспечивает достоверность выбора способов построения и параметров электроприводов ИИС, а также многовариантный анализ их динамических режимов.

3.Проведение всестороннего исследования статических и динамических характеристик ИФЭП, определение предельно достижимых в рамках рассматриваемой структуры точностных характеристик и направлений развития программного обеспечения и технических средств. Выявление характера изменения к величин дестабилизирующих факторов и степени их воздействия на точностные характеристики электропривода.

4.Разработка устройств масштабирования частотных сигналов, измерительных преобразователей, драйверов для управления напряжением или током исполнительных двигателей, обеспечивающих высокую точность выполнения операций, малый уровень шумов и простоту интерфейса связи с управляющим микроконтроллером.

5.Создание программного комплекса, обеспечивающего при ограниченных ресурсах микроконтроллера управление и регулирование положения вала и его скорости с заданными

показателями, диагностику состояния системы управления и надежную защиту от аварийных режимов работы.

В диссертации выдвинуты новые научные положения:

1.Предложена ориентированная на использование в ИИС методика исследования двухфазных электроыашинных информационных и силовых преобразователей, позволяющая корректно учитывать специфику происходящих в них процессов. Получены метода определения погрешности преобразования переменных в двигателях, датчиках и блоках обработки частотных сигналов, основанные на дискретном спектральном разложении выходных сигналов этих элементов.

2. Разработаны способы имитационного моделирования им-пульсно-фазовых электроприводов с двигателями постоянного тока и бесконтактными, базирующиеся на методе пространства состояний и обеспечивающие учет подавляющего большинства особенностей измерения и обработки регулируемых переменных, получение адекватных действительным результатов моделирования при минимальных затратах машинного времени.

3. Предложены принципы организации и алгоритмы реализации программного обеспечения, предназначенного для решения разностных уравнений, реализующих функции цифровых регуляторов скорости и положения вала, формирования регулировочных характеристик электропривода, управления работой двигателя и ряда других операций.

4. Определены алгоритмы управления вектором поля статора многополюсных синхронных машин с постоянными магнитами на роторе, основанные на адаптивной ориентации управляющего сигнала или контроле тока фазных обмоток двигателя, а также способы их реализации, обеспечивающие расширение допустимой области работы двигателя, снижение потерь в его статоре и линеаризацию механических характеристик.

Практическая значимость. Результатом работы, имеющим практическое значение, является разработка новых, не используемых широко в отечественной и зарубежной практике, систем электропривода на базе контура фазовой синхронизации, ориентированных на использование недорогих микроконтроллеров и двигателей, постоянного тока или бесконтактных. Такие системы, обеспечивающие круговое вращение, секторное сканирование, силовое удержание, позиционирование и управление моментом двигателя, по своим возможно-

стяы не уступают лучшим образцам цифровых систем управления, но превосходят их по ряду технико-экономических показателей. Конкретно практическое значение работы заключается в следующем:

1.Разработана концепция построения электроприводов, предназначенных для применения в информационно-измерительных системах, в которых высокая точность выявления фазового рассогласования частотных сигналов сочетается с широкими возможностями реализации на базе однокристальных микроконтроллеров различных типов регуляторов технологических параметров.

2.Разработаны структуры, алгоритмы функционирования и конкретные схемы электроприводов на базе двигателей постоянного тока и синхронных машин с постоянными магнитами при непрерывном или дискретном управлении МДС якоря, пригодные для использования в различных отраслях техники.

3.Разработано программное обеспечение для реализации управления и регулирования различных технологических параметров посредством однокристальных микроконтроллеров широко известных семейств MCS48, MCS51 фирмы Intel и их отечественных аналогов.

4.Разработаны и практически испытаны позиционные системы импульсно-фазового электропривода, в которых высокая точность отработки заданных перемещений достигается только за счет программной реализации астатизма второго порядка и интегрированных в кристалл микроконтроллера таймеров без использования дополнительных преобразователей "угол-код".

5.Техническая реализация импульсно-фазовых электроприводов, ориентированная на максимальное использование интегрированных в кристалл микроконтроллера периферийных устройств и их практическое использование в различных установках испытательной техники и прецизионных лентопротяжных механизмах.

Новизна полученных технических решений, подтверждается 14-тью авторскими свидетельствами и патентами на изобретения СССР и РФ. Результаты, полученные при теоретическом анализе электроприводов с регуляторами на базе МК, адекватно отражают закономерности, имеющие место в реальных объектах, что подтверждается данными, полученными при экспериментальных исследованиях. Разработанная

концепция построения импульсно-фазовых электроприводов и способы их технической реализации нашли применение в электроприводах ряда ИИС, выпускаемых малыми (10-100 единиц) сериями ПО "Точприбор" гор. Иваново и НИИТОП гор. Н. Новгород, установок нераэрушающего контроля оборудования АЭС (ВНИИАЗС, гор. Москва), специализированных лентопротяжных механизмов (НИИТП гор. Москва) и в ряде развертывающих устройств (НИИ Полиграфмаш гор. Москва, НПО Поли-графмаш, ПЛ ЛЭИС гор. Ленинград, ИГЗУ). Этими организациями успешно выпущено или эксплуатируются около 900 экземпляров различных вариантов предлагаемого типа электроприводов. В процессе опытной, опытно-промышленной и промышленной эксплуатации на практике подтверждены положительные свойства нового электропривода, сформулированные в работе. Использование и внедрение результатов диссертации подтверждаются соответствующими документами.

Материалы диссертации использованы в Ивановском государственном энергетическом университете при постановке курсов по дисциплинам: "Системы управления станками и станочными комплексами", "Математическое обеспечение автоматизированных производств", "Теория автоматического управления техническими системами", а также в курсовом и дипломном проектировании студентов специальностей 1201 и 1202.

Достоверность научных результатов и выводов. Достоверность научных результатов и выводов обосновывается совпадением результатов исследований (расхождение не более 3-10%), полученных аналитическими методами и в ходе натурных экспериментов, проведенных в Ивановском государственном энергетическом университете, НИИТОП (гор. Н.Новгород) , ВНИИАЭС и НИИТП (гор. Москва); непротиворечивостью результатов, полученных различными теоретическими методами.

Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались и обсуждались на итоговых научно-технических конференциях Ивановского государственного энергетического университета в 1978-1985гг., трех научно-методических семинарах "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" программы САПР Минвуза РСФСР (Иваново 1977-1978гг., Саранск 1981г.), научно-технической конференции по автоматизации технологических процес-

сов и промышленных установок (Пермь 1977г.)/ Всесоюзном научно-техническом совещании "Вентильные автоматизированные электроприводы и преобразователи с улучшенными характеристиками" (Запорожье 1978г.), конференции молодых ученых и специалистов Всесоюзного электротехнического института (Москва 1978г.), III заседании координационного совета по межвузовской программе "Оптимум" (Иваново 1982г.), VT республиканской научно-технической конференции "Автоматический контроль и управление производственными процессами" (Могилев 1983г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами" (Ульяновск 1989г.), международных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново 19871997гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 62 работы, в том числе статьи в журналах "Электричество", "Технология текстильной промышленности" и "Электронная промышленность", публикации в трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов. Техническая новизна разработок подтверждена 14 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 298 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок и 7 таблиц. Список литературы включает 234 наименования.

На защиту выносятся:

1.Положение о целесообразности использования принципа фазовой синхронизации с включенным в контур управления микроконтроллером и многополюсных синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) для построения электроприводов стабилизации положения вала и скорости механизмов, предназначенных для использования в информационно-измерительных системах.

2. Принципы технической реализации и архитектура им-пульсно-фазовых электроприводов, предназначенных для управления скоростью и положением вала при круговом его вращении и секторном сканировании, а также получения режимов позиционирования, силового удержания и управления моментом двигателя при использовании как двигателей по-

стоянного тока, так и многополюсных бесконтактных электродвигателей .

3.Методика исследования двухфазных электромашинных преобразователей, таких как СКВТ и бесконтактные двигатели, основанная на анализе гармонического состава их выходных сигналов. Математическая модель двухфазного БКД, позволяющая корректно учитывать специфику формирования электромагнитного момента. Базирующиеся на методе дискретного билинейного преобразования математические программные средства, оценивающие степень влияния нелинейного характера модуляции, дискретизации сигналов в измерительных и управляющих устройствах, особенностей исполнительных механизмов на работоспособность и точностные характеристики.

4.Методика имитационного моделирования ИФЭП, позволяющая преодолеть трудности концептуального характера, обусловленные как характеристиками используемых элементов, так и методов численного интегрирования. Ее использование позволяет получить адекватные экспериментальным данным результаты моделирования при минимальных затратах машинного времени, что расширяет возможности ее применения при многовариантном анализе электропривода.

5.Способы регулирования скорости бесконтактных двигателей, основанные на прямом или косвенном управлении положением вектора МДС статора, и техническая реализация предложенных способов, что расширяет область применения таких двигателей при одновременном снижении потерь как в силовом преобразователе, так и двигателе.

6.Алгоритмы и способы реализации программного обеспечения для управления скоростью и положением вала двигателя в режимах стабилизации скорости и позиционирования, а также контроля работоспособности импульсно-фаэовых электроприводов ИИС.

7.Принципы построения и технического исполнения оригинальных узлов для задания уровня скорости, выполнения преобразования "угол-фаза-код" и управления работой исполнительных двигателей.

8.Результаты исследования влияния на динамические показатели работы привода и его точностные характеристики специфических особенностей используемых методов обработки данных и технических средств.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель диссертационной работы и определен круг решаемых при достижении поставленной цели задач.

В первой главе на основе проведенного по источникам латентной и научно-технической информахщи анализа тенденций развития электропривода, отвечающего требованиям информационно-измерительных систем, показано, что их выполнение может быть достигнуто при использовании дискретных датчиков и способов управления, оперирующих с цифровыми кодами или последовательностями импульсов. При этом большинство удачных технических решений получено при замыкании системы управления по положению вала, а не его скорости, Рассмотрение импульсных датчиков положения вала двигателя и его скорости показало целесообразность применения в широкодиапазонных информационно-измерительных системах СКВТ, что обусловлено высокой частотой считывания информации о положении ротора во всем диапазоне изменения его скорости, чего нельзя сказать о широко распространенных и технологичных оптических измерительных преобразователях перемещения. Кроме этого характер изменения погрешности измерения положения вала таких датчиков позволяет получить малые пороги различимости угла поворота вала и его скорости, особенно в нижней части диапазона ее регулирования при относительно малой (10*22 бит) разрядности используемых преобразователей.

На базе анализа реализуемых ИИС технологических процессов определены требования, предъявляемые к используемым в них электроприводам. Показано, что важнейшими из них являются: малые погрешности стабилизации положения вала и его скорости, изменяющейся в широком диапазоне, высокая стабильность характеристик и возможность работы в составе интегрированных систем управления. При этом адаптация существующих цифрбвых систем электропривода к требованиям ИИС часто связана с преодолением трудностей концептуального характера, связанных с особенностями используемых датчиков и способов управления. Установлена целесообразность использования принципа фазовой синхронизации в качестве основного метода определения ошибки по скорости и положению вала для приводов ИИС. Применение импульсных сигналов обеспечивает высокую стабильность ха-

рактеристик, малую погрешность задания и низкий уровень собственных шумов и относительно высокую помехозащищенность, а реализация регулятора на микроконтроллере позволяет получить необходимые технические и эксплуатационные свойства электропривода. Обоснована возможность применения простых микроконтроллеров МСЭ48 и МСБ51 в качестве базового вычислительного блока, решающего весь комплекс задач по управлению регулируемыми координатами.

Во второй главе представлены научно-практические принципы реализации импульсно-фазовых электроприводов, построенных на базе восьмиразрядных микропроцессорных ВИС, удовлетворяющих требованиям информационно-измерительных систем. Определены принципы преобразования "им-пульсокод" при измерении величины фазового рассогласования частотных сигналов задания и обратной связи и управления двигателем с минимальными величинами шумов. Рассмотрены варианты архитектуры аппаратных средств и программного обеспечения электроприводов, предназначенных для стабилизации скорости и выполненных на базе микроконтроллеров МС348 и МС351.

Проведен анализ режимов работы двухфазных БКД типа ДБМ с учетом реального спектра частот выходного сигнала преобразователя координат. Показано, что механические характеристики такой электромеханотронной системы при управлении напряжением на фазных обмотках двигателя существенно нелинейны, особенно в области высоких скоростей ротора. Это обусловлено изменением взаимного положения векторов магнитных полей статора и ротора синхронной машины. Для устранения этого недостатка предложен метод управления двигателем, заключающийся в непосредственном регулировании тока фазных обмоток в зависимости от положения ротора. С точки зрения теории управления двухфазные бесконтактные двигатели представляются уникальным объектом, управление которым возможно без использования сложных преобразований систем координат. Показана эффективность такого "векторного" способа управления бесконтактным двигателем. Рассмотрены варианты построения преобразователей координат на базе фазочувствительных выпрямителей и устройств "выборка-хранения" аналогового или дискретного типа и степень их влияния на частоту и амплитуду пульсаций электромагнитного момента двигателя в зависимо-

сти от скорости его ротора. Выявлены рациональные области применения преобразователей координат рассмотренных типов .

Рассмотрены способы построения электроприводов с бесконтактными двигателями, выявлены перспективные варианты структур таких систем и разработаны основы построения программных продуктов и аппаратных средств. Показана возможность построения многофункциональных универсальных контроллеров, обеспечивающих управление как двигателями постоянного тока, так и бесконтактными. В последнем случае система управления дополняется средствами для измерения положения ротора и связи с усилителями мощности для обмоток статора, количество которых определяется числом фаз двигателя.

Разработаны принципы построения аппаратных и программных средств, предназначенных для реализации режима позиционирования. На рис.1 показана функциональная схема электропривода, представляющего собой многоконтурную систему, аналогичную по своей сути системам подчиненного управления. Представленный электропривод обеспечивает реализацию режимов синхронно-синфазного вращения вала, секторного сканирования, позиционирования исполнительного механизма и его силового удержания.

Третья глава посвящена разработке методик определения точностных характеристик электропривода и условий его работоспособности, что необходимо для рационального выбора параметров системы управления. При этом использование точных аналитических выражений для определения динамически х характеристик, применяемых при анализе систем фазовой синхронизации в работах Шахгильдяна В.В., Дворникова A.A., применительно к электроприводам приводит к громоздким выражениям и малоинформативным результатам. Предложен математический аппарат исследования электропривода пс первой гармонике изменения базовых переменных системы на базе метода билинейного преобразования, то есть при использовании частотных методов проектирования, базирующийся на теоретическом фундаменте, заложенном в работах Цып-кина Я.З., Бесекерского A.A., Джури. Э. и ряда других авторов .

Показано, что в электроприводах с СКВТ, частота выходного сигнала которого fu определяется как

Функциональная схема электропривода

Задание Управление |

МК

в - генератор тактовой частоты; БЗЧЭ - блок задания частотного эталона, предназначенный для изменения уровня скорости,- ЧФД - частотно-фазовый дискриминатор, яредназначэакый для выявления величины фазового рассогласования частотных сигналов задания и обратной связи; БИФ - блок измерительного преобразователя "фаза-код" и управления прерыванием микроконтроллера; М - двигатель; СТ - двоичный счетчик в блоке с цифро-аналоговыми преобразователями, предназначенными для формирования сигналов питания СКВТ; ВК - датчик скорости/перемещения вала типа СКВТ, имеющий % пар полюсов; £2, ф -скорость и угол поворота вала двигателя; ^- частоты задания уровня скорости и питания ВИ.

Рис. 1

влияние широтно-импульсной модуляции на приращение величины фазового рассогласования частотных сигналов задания и обратной связи достаточно мало. Поэтому значение динамического коэффициента передачи дискриминатора практически не зависит от условий работы привода (скорости двигателя и момента нагрузки на его валу).

Анализ двухчастотных законов изменения основных переменных состояния бесконтактного двигателя позволил синтезировать математическую модель такого объекта управления, справедливую для малых отклонений от значений координат квазиустановившегося режима работы. Показано, что величина электромагнитного момента двигателя Н- (3А) определяется как:

\

Р,

м

(ис-<й) ' (2)

где Ту - электромагнитная постоянная времени фазных обмоток;

Х0 - псевдочастота, соответствующая скорости вала;

ис - сигнал управления двигателем;

Рм= сс^и^Х, ХоИк(^-^о)] ~ нелинейный оператор, где логический оператор И^А., Х0) имеет вид:

и.МоЯ! прй ^ ■

¡0 при Я > Х0

Анализ частотных характеристик бесконтактного двигателя (рис.2) показывает, что если в области низких скоростей возможно представление синхронной машины как эквивалентного ей по параметрам двигателя постоянного тока, то в верхней части диапазона такая интерпретация объекта управления приводит к существенным ошибкам в расчетах. В этом случае необходимо применение уточненной модели двигателя, что связано со значительным усложнением используемого математического аппарата.

На базе регрессионного анализа частотных характеристик БКД, полученных при использовании наиболее широко применяемых методик и предлагаемого способа, базирующего на выражении (2), получены количественные оценки допусти-

мой области применения различных интерпретаций бесконтактного двигателя.

Зависимости скорости <в и момента ¡х многополюсного бесконтактного двигателя от частоты сигнала задания

Рис. 2

Для принятой структуры командного цикла электропривод представляется как ^восходящая" импульсная система с мгновенными импульсами, эквивалентными по площади реальным отклонениям от положения равновесия. Это позволяет использовать при анализе динамических характеристик электропривода методы дискретного билинейного преобразования. Такая интерпретация представляется расширением известных моделей аналогичных электроприводов и может быть успешно применена при проектировании широкого класса цифровых устройств с различными частотами измерения регулируемых переменных и управления объектом управления. При таком подходе получены аналитические выражения, определяющие частотные характеристики системы относительно псевдочас-готы Я. Их использование при декомпозиции внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, воздействующих на систему, позволило оценить ее предельные возможности в отношении точности стабилизации регулируемых переменных и определить перспективные способы достижения заданных показателей работы ИФЭП.

Исследования устойчивости и качественных показателей работы электропривода с различными способами построения

цифрового регулятора показали, что при реализации аста-тизма второго порядка для механизмов с большими маховыми массами возникают проблемы с обеспечением устойчивой работы системы, когда применение коррекции по второй производной сигнала ошибки (ускорению вала) в диапазоне ее изменения, допустимом с точки зрения неравномерности угловой скорости приводного двигателя, оказывается малоэффективным. Установлено, что работоспособность таких установок и показатели их работы, отвечающие требованиям ИИС, могут быть обеспечены при увеличении добротности системы.

Выполнен анализ режимов работы релейного регулятора тока и установлено, что электромеханическая постоянная времени привода незначительно влияет на амплитуду и частоту пульсаций тока. Показано, что в подавляющем большинстве случаев режим работы контура тока близок к скользящему, а свойства объекта управления (двигатель и релейный усилитель мощности) практически совпадают с характеристиками "чистого" интегрирующего элемента.

Рассмотрены вопросы возможности получения оптимальной, в смысле минимизации величин ошибок регулируемых координат в квазиустановившихся режимах работы, настройки цифрового регулятора по частотным характеристикам электропривода и распределению корней характеристического уравнения системы. Установлено, что используемые принципы построения системы, а именно дискретизация величины фазового рассогласования, а не периода сигнала датчика, позволяют уже при применении (10*12)-ти разрядных преобразователей "фаза-код" обеспечить величину неравномерности скорости, обусловленной квантованием измеряемых фазовых соотношений, не превышающую значений, допустимых для большинства ИИС.

Разработана методика и получены конкретные аналитические выражения для оценки погрешности стабилизации скорости и положения вала при линейном и синусоидальном характере изменения большинства дестабилизирующих факторов, таких как неравномерность задания, пульсации момента нагрузки и двигателя, шумов выходного сигнала СКВТ, квантования величины фазового рассогласования при его измерении.

Четвертая глава посвящена разработке быстродействующей цифровой модели импульсно-фазового электропривода,

предназначенной для анализа происходящих в нем процессов во временной области. При этом возможность аналитического определения переменных состояния в моменты дискретизации достигнута при разделении уравнений, описывающих процессы в электрической и механической элементах двигателя с помощью фиктивного импульсного элемента. На основе теории пространства состояний получены рекуррентные соотношения для определения мгновенных значений координат системы вида:

У^+тЬФДХ)

ф) V2(x) '

(3)

где То - точка начала расчетного интервала; х- длительность расчетного интервала; <£>i(t), Фг(т)- расширенные переходные матрицы электрической и механической частей электропривода соответственно;

Vj = col(Utt?Uf , . . . !„,. - обобщенный вектор состояния электрической части электропривода, включающий в себя токи фазных обмоток (i» и if), выходные сигналы преобразователя координат (Utt и Up) и промежуточные переменные;

V2 = col(ji, œ, fie) - обобщенный вектор состояния механической части системы, в который входят развиваемый двигателем момент ц и его скорость ю, а также момент нагрузки на валу двигателя |Хс, представленные в относительных единицах;

p,(To)=F(Ua,U^ - величина электромагнитного момен-

та, развиваемого двигателем.

При этом коэффициенты расширенных переходных матриц Фа (г) и Ф2 (х) зависят от параметров двигателя, характеристик элементов силовой части, подключаемых к якорной цепи, и режима работы электропривода.

Такое представление моделируемой системы позволяет преодолеть чисто вычислительные трудности концептуального характера, связанные со значительными затратами времени на решение нелинейных систем дифференциальных уравнений высокого порядка, что существенно ускоряет процесс исследования рассматриваемого класса электроприводов.

Моменты формирования импульсов частотного датчика тг определяются из решения интегрального уравнения движения поля СКВТ вида:

/со(т0 + Т> йг+ <в0хР = фр , (4)

о

где фЕ - ближайшая линия квантования датчика; со (ть-к) - закон изменения скорости ротора, определяемый из рекуррентных соотношений (3) ; оо0 - угловая скорость вращения поля датчика. Для решения трансцендентного уравнения, получаемого из (4) с учетом (3), используется численный метод Вег-стейна, обеспечивающий быструю сходимость итерационного процесса при произвольных знаке и величине искомой функции движения поля СКВТ..

Алгоритм моделирования частотно-фазового дискриминатора основан на применении теории конечных автоматов, что в полной степени позволяет имитировать графотопологиче-скую схему работы этого устройства с учетом неоднозначности его характеристик. Моделирование цифрового регулятора базируется на решении разностных уравнений и логических условий, положенных в основу алгоритма работы микроконтроллера.

На базе статистического подхода получены оценки адекватности используемого метода имитационного моделирования электропривода. Подтверждена возможность представления релейного регулятора тока как эквивалентного линейного динамического элемента без потери точности получаемых результатов при малых (менее 5 1/С) скоростях вращения вала. Анализ результатов, полученных на цифровой модели электропривода и его реальном макете, показывает, что использование аналитических рекуррентных соотношений для определения мгновенных значений координат системы в дискретные моменты времени позволяет получить адекватные данным эксперимента результаты моделирования при минимальных затратах времени. Показана возможность применения цифровой модели импульсно-фазового электропривода не только для расчета переходных процессов в системе, но и для исследования её устойчивости, определения качественных показателей привода при ступенчатых и синусоидальных воздействиях, проверки работоспособности усовершенство-

ванных вариантов электропривода и его проектирования в интерактивном, режиме.

В пятой главе рассмотрены вопросы технической реализации отдельных блоков электропривода.

Рассмотрены вопросы исполнения блоков задания частотного эталона и формирования напряжения питания СКВТ. Показано, что шумы этих устройств содержат строго определенный спектр частот. Установлено, что неравномерность выходного частотного сигнала блоков задания частотного эталона (БЗЧЭ) наиболее неблагоприятно влияет на равномерность движения вала в нижней части диапазона регулирования скорости (Д>1:104), а погрешность преобразования "угол-фаза" СКВТ в максимальной степени проявляется при скорости 0.02^-0.005 от номинальной, что обусловлено неравномерностью частотной характеристики электропривода. Показано, что влияние погрешности преобразования "угол-фаза" СКВТ на пульсации скорости при непосредственном управлении электромагнитным моментом приводного двигателя может быть уменьшено на 50+80%.

Синтезированы варианты микропрограммных автоматов на базе БИС перепрограммируемых запоминающих устройств, обеспечивающие выполнение функций частотно-фазового дискриминатора и блока управления преобразованием "фаза-код", а также инициализации программного цикла. Применение таких устройств позволяет сократить затраты на изготовление электропривода и расширить его функциональные возможности.

Разработаны преобразователи "фаза-код", характеризуемые высокой разрешающей способностью (8-16 двоичных разрядов на полюсное деление СКВТ) при минимальных аппаратных затратах.

Полученные схемотехнические решения легко могут быть реализованы на базе программируемых логических схем, что значительно снижает габаритные размеры разрабатываемых электроприводов и затраты на их производство.

Синтезированы варианты построения силовых преобразователей для двигателей постоянного тока и бесконтактных, обеспечивающие регулирование как величины электромагнитного момента двигателя, так и напряжения на их обмотках. Разработаны и практически реализованы транзисторные реверсивные широтко-импульсные преобразователи, снабженные

устройствами токоограничения (Ас. 1Я181108 и №1443075) и системой защит с индикацией аварийных режимов. При проектировании последней учтены как особенности эксплуатации привода в составе ИИС, так и наиболее жесткие требования, предъявляемые к аналогичным устройствам, используемым в электроприводах подач металлорежущих станков.

В шестой главе рассмотрены вопросы разработки программного обеспечения для электроприводов ИИС с однокристальными микроконтроллерами в контуре управления. Проанализированы возможности программной реализации ПИДДг-регулятора величины фазового рассогласования частотных сигналов с использованием методов отображения дифференциалов и билинейного преобразования. Показано, что непосредственное программирование с учетом этих методов требует значительных, для однокристальных микроконтроллеров, объемов памяти данных и занимает относительно большое время. Особенно ярко это проявляется при использовании метода билинейного преобразования и Ж МС348, что обусловлено необходимостью выполнения относительно большого числа операций с удвоенной для восьмиразрядного процессора точностью и "слабостью" его системы команд. Последнее ограничение может быть снято при использовании более мощного МС351, однако и в этом случае длительность цикла обработки прерывания превышает 5-10мс. Поэтому был разработан и практически реализован алгоритм, основанный на применении метода отображения дифференциалов, обеспечивающий выполнение большинства операций с данными длиной один байт. Это позволило уменьшить время вычисления искомых функций до 1 мс даже для "медленной" БИС МС348.

Проведена разработка и исследование алгоритмов управления БЗЧЭ. Показано, что упрощение аппаратной части блока приводит к усложнению соответствующего ему программного обеспечения и необходимости выполнения операций как минимум с трехбайтными данными для обеспечения погрешности задания скорости, равной (0.1+0.5)%. Это ведет к значительному росту времени выполнения алгоритма, которое достигает (5+15)мс. Поэтому исполнение этих функций системы возможно только в фоновом режиме, что увеличивает время реакции электропривода на управляющее воздействие до (20+50)мс. Алгоритм управления более сложным по составу БЗЧЭ-2 может быть выполнен во время цикла обработки

прерывания, что естественно сокращает время преобразования входных данных до 1+2мс.

Применение ВИС МС351 позволяет реализовать программно-аппаратный частотно-фазовый дискриминатор, включающий в себя устройство фазового сравнения на дискретной логике и программные средства выявления состояний "блокировки" в соответствии с условиями вида:

где сЕ№=М[1]-1$[1-1] - разность измеряемых на соседних тактах величин сигнала ошибки N[1];

п - разрядность преобразования "фаза-код";

Показано, что при использовании выражений вида (5) возможно выполнение преобразования "угол-код" в пределах, ограниченных только длиной используемых данных.

Разработано ориентированное на МС351 программное обеспечение, позволяющее при использовании встроенного в кристалл БИС таймера, двухуровневой системы прерывания и алгоритма ПИД-регулятора реалиэовывать синхронно-синфазные системы позиционирования и старт-стопной развертки. Программные модули для управления работой импульсно-фазового электропривода прошли всестороннюю проверку как на программно-логических моделях, так и при эксплуатации в установках по контролю свойств материалов и прецизионных лентопротяжных механизмах.

Седьмая глава посвящена разработке методик оценки точностных характеристик широкорегулируемых электроприводов, основанных на свойственном СКВТ малом пороге различимости скорости и ориентированных на применение при проведении наладочных работ на предприятиях изготовителях предлагаемых электроприводов, определению методической погрешности измерения скорости, нахождению частотного состава сигнала ошибки, что необходимо для определения плотности распределения погрешности измерения, вид которой, как было показано ранее, указывает на причину ее возникновения, а также экспериментальному подтверждению полученных ранее результатов и подтверждения эффективности принятых технических решений.

(5)

Р^мН^иМ};

М=п-1.

В основу метола контроля точностных характеристик электропривода положен тот факт, что в выходном сигнале СКВТ, согласно (1), присутствуют две компоненты. При этом высокая частота проведения измерений достигается при определении периода выходного сигнала датчика. Показано, что использование такого подхода для измерения неравномерности скорости возможно при диапазоне ее изменения до 1:(200+500). При его расширении целесообразно определять значение скорости по времени поворота вала на полюсное деление датчика или его часть, а также по темпу изменения фазового рассогласования выходного сигнала СКВТ и его опорной частоты. Выявлены области применения различных способов контроля неравномерности скорости, которые определяются как длительностью процесса ее измерения, так и методической погрешностью используемого метода. Для реализации этих методов разработано специализированное устройство, подключаемоек системной магистрали микро-ЭВМ, обеспечивающей обработку результатов измерений.

На рис.3 показаны гистограммы изменения относительных частот Ьд попадания ошибки стабилизации скорости 8£1 в классовые интервалы, лежащие в пределах (8Й±Д), для разных значений диапазона регулирования скорости, полученные при использовании разных методов измерения. Эти гистограммы подтверждают возможность получения малой (не более 0.5%) погрешности стабилизации частоты вращения двигателя в ИФЭП.

Частотная интерпретация вероятности изменения ошибки стабилизации скорости, то есть зависимости амплитуд 8£2а(%) гармонических составляющих этого сигнала от частоты f* его изменения, определенной относительно частоты вращения вала двигателя, равной СИ2%, приведены на рис. 4. Они демонстрируют изменение частотного состава сигнала ошибки стабилизации скорости при разных ее значениях. Их анализ показывает, что максимальное влияние на точностные характеристики электропривода оказывают используемые средства для ее измерения, о чем свидетельствует наличие составляющих, частоты изменения которых кратны полюсному делению СКВТ, число которых для используемого в установке датчика БСКТ-2065 равно 10. Представленные результаты получены при испытаниях установки контроля упругих элементов УКЭ.ПАУ 0.05/500 с двигателем СЛ-361.

Распределение погрешности стабилизации среднего значения скорости за оборот вала

Ьд 60 40 30 36 10 О

Ьд

40-

эо. 20. 10-

-1 -0,Б 0,26

а) д=1:104

-1 -0,5 0Л 6Г2

д=1г10г

Ьд

40

30 го ю о

-1 -0,6 ода 5П

д=1:103

Распределение погрешности стабилизации скорости за 1/16 полюсного деления СКВТ

Ьа

40

1Г?5

2 1 « 50

б) д=1:104

40----------

:::#:: Ю---аЯЯ---

лЗ

д=1: Ю-3

Рис. 3

Частотные спектры сигнала ошибки по скорости

о,оа о,ое

0,04 0,02 о

N..

а,а

0,6 0,4 0,2 о

1А

М

20

40

20

100

330

а) £2=200 1/С

б) £2=0.1 1/С

Рис. 4

Получено экспериментальное подтверждение целесообразности и возможности применения регулятора с астатиэмом

второго порядка для повышения точности стабилизации скорости в электроприводе установок для испытания физико-механических свойств материалов с двигателем ДПМ-1.6-11С (М}г=1. 6НМ, ^{¡=157 1/С). Результаты экспериментального исследования неравномерности перемещения исполнительных механизмов ИИ С с двигателями СЛ-369 (Мн=0.1 НМ, П„=380 1/С), ДБМ185 (Рн=10НМ, Пн=2 О 1/С) подтвердили рациональность применения непосредственного управления развиваемым ими электромагнитным моментом для снижения погрешности стабилизации скорости при диапазоне ее изменения до 1:104.

Переходные характеристики электропривода

с двигателем ДБМ70 ,—£2=200 1/С

Рис. 5

В ходе проверки разработанных драйверов для регулирования тока фазных обмоток бесконтактных двигателей получено экспериментальное подтверждение целесообразности применения векторного управления в широкодиапазонных электроприводах ИИС. Об этом свидетельствуют графики разгона двигателя ДБМ70 на скорость £2=200 1/С при управлении напряжением (рис. 5а) или током его фазных обмоток (рис.56).

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

В приложении приведены основные характеристики разработанных вариантов ИФЭП; аналитические выражения для определения мгновенных значений переменных состояния систе-

мы с двигателями постоянного тока и многополюсными синхронными машинами с постоянными магнитами; сравнительные результаты определения динамических показателей на физическом макете электропривода и при его моделировании; описание блока контроля точностных показателей электропривода и оценка его метрологических свойств; сведения о параметрах экспериментальных установок, на которых проверялись данные теоретических исследований и моделирования; акты испытания и внедрения разработанных вариантов микропроцессорных импульсно-фазовых электроприводов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе на основе единого подхода исследована и решена важная в научном и практическом плане проблема разработки и создания ориентированных на использование в прецизионных информационно-измерительных установках электроприводов с комбинированным импульсно-цифровым управлением, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области применения ИИС, существенно расширяя их функциональные возможности и улучшая эксплуатационные характеристики. Выбор рациональной структуры, разработка устройств по преобразованию частотных сигналов и определение оптимальных параметров системы, основанные на комплексном ее исследовании, как с помощью математических моделей различной степени детализации, так и макетных образцов электропривода, позволили довести разработанные варианты электроприводов на базе однокристальных МК до практического внедрения в установки по испытанию материалов и конструкций, а также транспортировке носителей информации.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что предложенные структуры и принципы технической реализации импульсно-фазовых электроприводов, построенных на базе принципов фазовой синхронизации с

непосредственным включением микроконтроллера в контур управления, и новые алгоритмы формирования законов управления такими приводами, предназначенными для стабилизации скорости и положения вала в режимах кругового вращения, позиционирования и силового удержания, обеспечивают ошибку отклонения положения вала от задаваемой траектории не более (0.3-1)угл. мин при диапазоне регулирования скорости до 1:(104+-105) и погрешности стабилизации частоты вращения не более 0.2+0.5%.

2. Установлено, что для получения достоверных результатов исследования БКД в частотной области необходимо применение двухмерной модели формирования электромагнитного момента, что позволяет корректно учитывать специфику происходящих в нем процессов. Выявлено наличие ярко выраженных резонансных явлений при совпадении частот задания и вращения вала. Установлено, что если в нижней части диапазона регулирования скорости частотные свойства бесконтактного двигателя во многом аналогичны машине постоянного тока, то при больших скоростях вала характеристики исполнительных устройств значительно различаются. Получены количественные оценки области применения разработанной модели. Разработана единая методика исследования погрешностей преобразования переменных состояния в двухфазных электромашинных преобразователях, таких как СКВТ и бесконтактные двигатели на основании дискретного гармонического анализа выходных сигналов.

3.Установлена возможность применения в широкорегули-руемых электроприводах информационно-измерительных систем бесконтактных двигателей. Показано, что управление ими путем изменения напряжения на фазных обмотках не отвечает техническим требованиям установок с высокими скоростями перемещения исполнительных элементов. Доказана целесообразность использования релейных регуляторов тока статора для ориентации вектора его магнитного потока, обеспечивающей максимальную величину электромагнитного момента двигателя.

4. С использованием приближенной математической модели, ориентированной на исследование широкого класса импульсных систем с разными частотами измерения регулируемых координат и управления приводным двигателем, получена серия новых научных результатов: определены расчетные соотношения для нахождения условий работоспособности электропривода; исследована зависимость точностных показателей электропривода от структуры и параметров, входящих в него элементов.

5. Установлено, что полная структура математического описания динамических режимов работы имлульсно-фазового электропривода с бесконтактными двигателями включает в себя системы разностных уравнений регулятора и дифференциальных уравнений электромагнитных процессов в двигателе, уравнение момента и уравнения движения электропривода, образующие замкнутую систему. Показано, что декомпозиция систем нелинейного типа, таких как "преобразователь-бесконтактный двигатель" позволяет при уменьшении разрядности расширенных переходных матриц сепаратных систем минимизировать время моделирования при сохранении адекватности результатов моделирования реальным процессам в электроприводе.

6. По результатам теоретических исследований имлульс-но-фазовых электроприводов ИИС определены требования к минимально-возможной конфигурации и составу устройств преобразования импульсных сигналов, отвечающих условиям работы электропривода в составе информационно-измерительных систем. Установлено, что для получения диапазона регулирования скорости до 5'104:1 при использовании СКВТ с погрешностью не более (1-5) угл.мин достаточно применения 10-ти разрядных времяимлульсных преобразователей фазовых соотношений в системе, 8-ми разрядных устройств управления датчиками. Разработаны устройства задания скорости, выявления фазового рассогласования частотных сигналов, получаемых с электромашинных и фошоимпульсных измерительных преобразователей, определения положения вала двигателя, которые при минимальном числе элементов характеризуют-

ся погрешностью преобразования, допускаемой используемой установкой.

7.Показано, что быстродействие и возможности системы команд однокристальных микроконтроллеров MSC48 и MSC51 не обеспечивают решение полной системы разностных уравнений ПИД-регулятора скорости с астатизмом второго порядка и управление положением вала традиционными методами за время программного цикла (0.5+1.5 мс) . С учетом реального характера изменения регулируемых координат разработаны алгоритмы выполнения этих функций, в которых сокращение времени вычисления достигается за счет широкого использования операций с однобайтными данными. Доказана возможность реализации программно-аппаратных частотно-фазовых дискриминаторов на базе MCS51 и систем позиционирования без применения дополнительных преобразователей "угол-код" при использовании интегрированного в кристалл контроллера таймера для задания величины перемещения.

8.Результаты экспериментальных исследований и опыт эксплуатации разработанных электроприводов подтвердили данные, полученные при теоретических его исследованиях, и целесообразность принятых технических решений, новизна которых подтверждена 14 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения СССР и РФ. Полученные в работе результаты использованы в ряде установок, предназначенных для работы в составе ИИС. Общее число выпущенных и успешно эксплуатируемых в России и за ее рубежами установок с предлагаемым типом электроприводов превышает 900 экз.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1.Фалеев М.В., Трахтенберг P.M. Исследование динамических характеристик астатических систем электропривода с дискретным управлением.//Электричество.-1984.-116.-с.62-64.

2.Фалеев М.В., Киселев А.А.,Старкин В.И. Электропривод для установок контроля механических параметров материалов. //Электронная промышленность. - 1991.-»5.-с. 38-39.

3.Фалеев М.В. Электропривод раклеводчиков тканепе-

чатной машины.//Изв.ВУЗов Технология текстильной промышленности. -1996.-»4.-С.99-104.

4.Фалеев М.В.,Ширяев А.Н.,Киселев A.A. Синхронно-синфазный электропривод для технологических агрегатов непрерывного действия.//Изв.ВУЗов Технология текстильной промышленности.-1996.-»5.-с.82-88.

5.Фалеев М.В.,Киселев A.A. Электропривод с векторным управлением БКД для прецизионных испытательных установок. //Тезисы докладов международной н-т. конференции. Иваново,1997.- с.203.

6. Трахтенберг P.M. »Фалеев М.В. »Шряев А.Н. Астатический дискретный электропривод испытательных ма-шин//Тезисы докладов международной конференции по измерительной технике и приборостроению.-М.¡Москва,1989.-с.134.

7.Фалеев М.В.,Трахтенберг P.M. Дискретно-аналоговая система регулирования скорости многодвигательных электроприводов. //Многодвигательные электроприводы поточных линий.- Иваново, ИвГУ, 1981.с.45-51.

8.Фалеев М.В. Импульсно-фазовый электропривод на основе микроэвм.//Тезисы докладов международной н-т. конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" . -Иваново: 1991.-с.47-49.

Э.Фалеев М.В.,Киселев A.A. Импульсно-фазовый электропривод с микропроцессорным регулятором.//Электропривод с цифровым и цифро-аналоговым управлением.-JI. : ЛДНТП,1990.-с.44-49.

10.Трахтенберг P.M.,Фалеев М.В.,Ширяев А.Н. Многофункциональная система точного электропривода. //Проблемы управления промышленными электромеханическими системами.-Л.:ЛДНТП,1989.-е.112-113.

11.Фалеев М.В.,Киселев A.A. Микропроцессорный импульсный электропривод. Отраслевой н-т. сборник,сер 9 вып.2(189).-Москва.1990.-с.56-57.

12.Фалеев М.В.,Трахтенберг Р.М.,Лушин A.B. Астатический дискретный электропривод с микропроцессорным ре-

гулятором.//Проблемы электропривода и автоматизации промышленных установок.-Иваново,ИвГУ, 1989, с.66-71.

13.Фалеев М.В.,Трахтенберг P.M.,Ханаев A.B. Математическая модель астатического дискретного электропривода стабилизации скорости. - М.: Инф.бюлллетень "Алгоритмы и программы",»6,1978.

14.Фалеев М.В. Некоторые особенности построения высокоточных многодвигательных электроприводов постоянного тока.//Методы анализа и синтеза систем управления многодвигательными электроприводами. - Иваново: ИвГУ, 1985.-с. 84-90.

15.Фалеев М.В. Исследование устойчивости систем с контуром фазовой синхронизации.//Усовершенствование и автоматизация промышленных электроприводов и электроустановок. - Иваново: ИвГУ, 1980.-е. 46-51.

16.Фалеев М.В.,Трахтенберг P.M.,Ханаев A.B. К цифровому моделированию дискретного релейного электропривода. //Усовершенствование и автоматизация промышленных электроприводов и электроустановок. - Иваново: ИвГУ, 1980.-е. 52-56.

17.Фалеев М, В.,Ширяев А.Н. Высокоточные системы синхронно-синфазного электропривода. //Электроприводы с улучшенными характеристиками для текстильной и легкой промышленности.- Иваново: ИвГУ,1986.-с.20-26.

18.А.с. »1045374(СССР). Устройство для выделения разностной частоты /Фалеев М.В.,Ширяев А.Н.-опубл. в БИ 1983,»36.

19. А. с. »1107241(СССР) Электропривод/Трахтенберг P.M.,Фалеев М.В., Ширяев А.Н.- опубл. в БИ 1984,»29.

20.А.с. »1181108(СССР) Устройство токоограничения для электропривода с импульсным транзисторным преобразователем./ Фалеев М.В., Ширяев А.Н.-опубл. в БИ 1985, »35.

21.А.с. »1220097(СССР) Электропривод постоянного тока./ Фалеев М.В.,Трахтенберг P.M.,Ханаев A.B.,Ширяев А.Н.-опубл. в БИ 1986,»11.

22.А.с. »1267575(СССР) Электропривод постоянного тока./ Фалеев М.В., Ширяев А.Н.,Трахтенберг P.M.-опубл. в БИ 1986,»40.

23.А.с. »1272452(СССР) Электропривод постоянного тока./Фалеев М.В., Ширяев А.Н. ,Трахтенберг P.M.-опубл. в БИ 1986,»43.

24.А.с. »1335997(СССР) Умножитель частоты./Фалеев М.В., Трахтенберг P.M.,Ширяев А.Н.,Аполенский В.П.-опубл. в БИ 1987,»33.

25.А.с. »1411910(СССР) Электропривод постоянного тока./ Фалеев М.В., Ширяев А.Н.-опубл. в БИ 1988,»27.

26.А.с. »1443075(СССР) Устройство для защиты от перегрузки импульсного транзисторного преобразователя./Фалеев М.В., Трахтенберг P.M.,Ширяев А.Н.-опубл. в БИ 1988,»45.

27.А.с. »1488948(СССР) Электропривод постоянного тока/Фалеев М.В., Трахтенберг P.M.,Ширяев А.Н.-опубл. в БИ 1989, »23.

28.А.с. »1501240(СССР) Синхронно-синфазный электропривод./ Фалеев М.В., Трахтенберг P.M.,Ширяев А.Н.-опубл. в БИ 1989, »30.

29.А.с. »1775833(СССР). Электропривод постоянного тока./ Ширяев А.Н.,Фалеев М.В.,Киселев А.А.,Лушин А.В.-опубл. в БИ 1992,»1.

30.А.с.»1786330(СССР) Электропривод постоянного тока/Фалеев М. В., Киселев А. А., Ширяев А.Н. - опубл. в БИ 1993, »1.

На правах рукописи

ФАЛЕЕВ Михаил Владимирович

УДК 68.104-681.811.8

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

(Теория, разработка, исследование, внедрение)

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и

регулирование

(А

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

10 АЛ М

, : --Иваново.1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................б

ГЛАВА 1. ОБЩИЙ АНАЛИЗ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕ РИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ..............................16

1.1.Способы реализации цифровых электроприводов.....16

1.2.Датчики положения/скорости и измерительные преобразователи ............................................23

1.3. Обзор требований к электроприводам информационно-

измерительных систем................................29

1.4.Определение рационального способа построения электроприводов информационно-измерительных систем......37

Выводы .............................................44

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

В ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ.................4 6

2.1.Общие принципы технической реализации импульсно-фазовых электроприводов ИИС.........................4 6

2.2. Разработка принципов реализации контроллеров стабилизации скорости..................................53

2.2.1. Регуляторы для электроприводов с двигателями постоянного тока......................................53

2.2.2. Регулятор скорости с бесконтактными двигателями ..................................................59

2.2.2.1. Исследование возможности применения бесконтактных двигателей в ИИС...........................60

2.2.2.2. Выявление рациональных принципов построения регуляторов скорости для электроприводов с бесконтактными двигателями....................................7 6

2.3. Разработка принципов построения электроприводов

для систем позиционирования.........................83

Выводы .............................................88

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА УСЛОВИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ТОЧНОСТНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА.......-................90

3.1. Постановка задачи и определение метода ее реше-

ния................................................90

3.2. Характеристики электропривода с бесконтактными двигателями........................................95

3.3. Исследование динамических режимов работы электропривода ............................................103

3.3.1. Основные расчетные соотношения..............103

3.3.2. Определение области устойчивой работы электропривода ............................................107

3.3.3.Определение качественных показателей электропри вода в динамических режимах........................111

3.3.4. Особенности работы электропривода с контуром ре гулирования тока...................................113

3.3.5.Влияние дискретности на характеристики электро привода............................................119

3.4.Методика определения погрешности стабилизации скорости в квазиустановившихся режимах................124

Выводы ............................................131

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ИИС...........................135

4.1.Постановка задачи..............................135

4.2. Моделирование электропривода с двигателями постоянного тока ..................................137

4.3. Моделирование электропривода с БКД............14 8

4.3.1. Общие положения ............................148

4.3.2. Цифровая модель электропривода со скалярным управлением БКД....................................14 9

4.3.3. Определение степени адекватности математической модели физическому объекту.........................157

4.3.4. Моделирование электропривода с векторным управлением БКД.........................................159

4.4. Методика применения цифровой модели при исследовании электропривода .......................166

4.4.1. Исследование устойчивости ..................166

4.4.2. Определение частотных характеристик электропри-

вода ..............................................169

4.5.Некоторые результаты моделирования импульсно-

фазовых электроприводов............................173

Выводы ............................................177

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ............................17 9

5.1. Постановка задачи ............................17 9

5.2. Устройства задания уровня скорости ...........180

5.2.1. Блок задания частотного эталона 1 ..........182

5.2.2. Блок задания частотного эталона 2 ..........18 9

5.2.3. Оценка влияния особенностей БЗЧЭ на точностные характеристики электропривода .....................194

5.3. Исследование влияния погрешностей датчиков на точностные характеристики электропривода..............199

5.3.1. Общие положения ............................200

5.3.2. Возможности оптимизации конструкции блоков питания СКВТ ..........................................206

5.3.3. Влияние погрешностей датчиков на неравномерность скорости...........................................212

5.4. Разработка устройств фазового сравнения частотных сигналов ..........................................214

5.4.1. Частотно-фазовый дискриминатор на дискретных элементах .........................................215

5.4.2. Частотно-фазовые дискриминаторы на базе программируемых СБИС .....................................218

5.4.3. Программно-аппаратные методы реализации частотно-фазовых дискриминаторов ........................226

5.5. Разработка блоков измерения перемещения для им-пульсно-фазового электропривода....................227

5.6.Некоторые аспекты разработки силовых преобразователей для импульсно-фазовых электроприводов..........230

5.6.1.Разработка силовых преобразователей для скалярного управления двигателями..........................231

5.6.2.Особенности построения источников тока для управ-

ления моментом

238

Выводы ............................................241

ГЛАВА б.РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.243

6.1. Постановка задачи.............................243

6.2. Разработка программных модулей для регулятора скорости ..............................................243

6.3.Разработка и исследование алгоритмов управления БЗЧЭ...............................................254

6.3.1. Алгоритм управления БЗЧЭ-1.................255

6.3.2. Алгоритм управления БЗЧЭ-2..................257

6.4. Алгоритм частотно-фазового дискриминатора.....259

6.5.Реализация блоков управления/измерения положения

вала...............................................2 62

Выводы ............................................268

ГЛАВА 7. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА........................270

7.1. Введение......................................270

7.2.Методы и средства контроля параметров электропривода.................................................271

7.3.Результаты экспериментального исследования электропривода ............................................27 6

Выводы ............................................284

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................286

ЛИТЕРАТУРА............................................290

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................312

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Техническое перевооружение промышленности и выход на новые высокие технологии предполагают полную автоматизацию технологических комплексов, которая неразрывно связана с расширением и усложнением функций управления. Поэтому в материалах ряда Международных научно-технических конференций по автоматизированному электроприводу [87,221] неоднократно подчеркивалось, что для успешного создания устройств, реализующих такие функции, необходимо использование нетрадиционных способов построения электропривода, максимально интегрированного с технологическими узлами установок. Несмотря на достигнутые в этом направлении успехи, проблема создания конкурентоспособных, технологичных, объектно-ориентированных электроприводов с отвечающими современным требованиям техническими и эксплуатационными характеристиками не нашла своего окончательного решения .

Потребность в таких приводах велика в станкостроении, робототехнике, различных приборах химической и бумажной промышленности, метрологии, полиграфии, машинах испытательной и медицинской техники, установках слежения, наведения и обработки данных, а также в авиационном приборостроении. Из всего многообразия такого оборудования можно выделить системы, предназначенные для выполнения разнообразных испытаний и считывания данных с различных носителей, в которых реализуемый технологический процесс связан с перемещением или транспортировкой источника данных. Результатом работы таких установок являются оценки свойств исследуемого объекта или информация о данных, записанных на нем определенным способом. Такие объекты обычно являются неотъемлемой частью информационно-измерительным систем (ИИС), предназначенных для проведения комплексных испытаний различных изделий и материалов и преобразования формы представления разнообразной информации. К решающим такие задачи системам можно от-

нести высокоточные лентопротяжные механизмы, оптико-механические системы развертки и фотонабора, установки для испытания характеристик различных материалов и их соединений, контроля, в том числе и безобразцового, механических свойств разнообразных изделий. Создание последних является одним из приоритетных направлений федерального уровня развития науки и техники, утвержденных 21.07.1996 г. Комиссией по научно-технической политике в соответствии с постановлением Президента Российской Федерации №884 "О доктрине развития Российской науки".

Анализ технологических процессов, реализуемых ИИС [29,60,64,65,82,92,107,181,182], показывает, что, несмотря на многообразие решаемых ими задач, требования к электроприводам таких установок имеют много общих черт. Кроме общих, предъявляемых к широкому классу приводов требований, таких как большая точность, малые габаритные размеры и масса, низкое энергопотребление, высокая устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, технологичность и малая стоимость, для таких установок необходимо, в первую очередь, обеспечение малых погрешностей стабилизации положения вала (0.24-5) угл.мин и его скорости (0.5-5-0.05)% в течение длительного технологического цикла, протекающего без резких колебаний внешних дестабилизирующих факторов. При этом диапазон изменения скорости перемещения исполнительного механизма достигает (103-г105) : 1, а абсолютное значение минимальной частоты вращения вала составляет (0.01-Г-0.1) об/мин. По характеру решаемых задач такие системы относятся к синхронно-синфазным или следящим за положением вала исполнительного механизма в процессе формирования траектории его движения. В силу специфики работы ИИС, связанной снеобходимостью обеспечения строгой воспроизводимости режимов испытания и траекторий движения развертывающих устройств, а также разомкнутости технологического цик-

ла, при котором получаемая информация не может быть скорректирована, погрешность задания уровня скорости и положения вала и дрейф этих параметров в течение длительного времени не должны превышать (0.005-^-0.1)%.

Проблема создания прецизионного электропривода в течение последних десятилетий находится в центре внимания ученых и инженеров, работающих в этой области. Основы построения электроприводов с цифровыми регуляторами, базирующиеся на фундаментальных трудах Цыпкина Я.З., Джури Э., Бесекер-ского В.А., Чемоданова Б.В., Кузина JI.T., Куо В., Изермана Р., заложены в работах Кулесского Р.А., Слежановского О.В., Киблицкого В.А., Файнштейна В.Г., а также Ковчина С.А., Трахтенберга Р.М., Танского Е.А, Староверова Б.А.- для им-пульсно-фазовых систем. Большой прогресс в ее решении в настоящее время обуславливается высоким технологическим уровнем производства современных БИС, а именно микропроцессорных систем (МП), их надежностью и сравнительно низкой стоимостью. На их основе усилиями многих научных и производственных коллективов, таких как НИИЭлектропривод, ВНИИР (г. Чебоксары), ВНИИЭМ, Fanuc(Япония), Siemens(ФРГ), Indra-mat (ФРГ) и др. разработаны микропроцессорные системы управления электроприводами, технические и эксплуатационные возможности которых существенно превосходят уровень, достигнутый за предшествующую историю развития электропривода.

Вместе с тем сам принцип действия цифровых систем создает ряд связанных как с измерением, так и управлением регулируемыми координатами проблем, наличие которых обусловлено дискретизацией переменных и конечностью времени их обработки. Причем с расширением диапазона регулирования скорости электропривода воздействие этих факторов на точностные характеристики системы возрастает. Обычно снижение влияния этих факторов достигается при увеличении вычислительных возможностей используемых микропроцессоров (МП) и юазоешаюшей способности измеоителей пеоемешения. Это птэиво-

дит к заметному усложнению систем управления и росту затрат на их изготовление. Применение ранее не используемых в прецизионных электроприводах бесконтактных двигателей (БКД), кардинально решающих проблему технологичности конструкции механических узлов ИИС, делает необходимой разработку способов управления ими, ориентированных на использование в ИИС, а также технических средств по их реализации.

Вследствие широкого спектра требований к высокоточным электроприводам ИИС, их многофункциональности и жесткой конкуренции на рынке исторически сложились два направления развития такого типа устройств.

Первое направлено на дальнейшее совершенствование электроприводов, в которых весь комплекс задач регулирования и управления основными координатами осуществляется в цифровом виде при минимизации погрешностей стабилизации регулируемых переменных, обусловленных дискретностью управления объектами. Это направление находится в центре внимания большинства научно-исследовательских, проектных и производственных организаций, занимающихся разработкой электроприводов для прецизионных установок.

Второе направление состоит в поиске и использовании таких технических решений в области высокоточного электропривода, которые при некотором ограничении технических возможностей обладали бы высокой конкурентоспособностью в сфере применения, где совокупность достоинств цифрового привода избыточна, а широко понимаемая экономичность электропривода является основным фактором, определяющим эффективность его применения.

Настоящая работа относится ко второму направлению, а область поиска технических решений ограничена ИИС, использующими электропривода относительно малой мощности (обычно десятки-сотни ватт, реже единицы кВт), но требующими высоких (5-10Нм) моментов на валу исполнительного механизма или больших скоростей его перемещения.

В основу работы положена концепция создания высокоточных систем на базе контура фазовой синхронизации, в котором регулирование базовых переменных (скорости и положения вала двигателей постоянного тока и БКД) осуществляется посредством цифровой обработки сигнала фазового рассогласования частотных сигналов обратной связи и задания, выделяемых с помощью аппаратных средств. Такое построение системы управления позволяет, с одной стороны, освободить используемое вычислительное устройство от решения достаточно простых, но требующих больших затрат времени задач по заданию уровня скорости, что снижает требования к его производительности и позволяет использовать относительно простые однокристальные микроконтроллеры (МК), а с другой стороны,дает возможность усложнить законы управления, что расширяет функциональные возможности проектируемых систем, которые можно назвать им-пульсно-фазовыми электроприводами(ИФЭП).

В свете изложенного выше актуальность основной проблемы создания высокоточного электропривода для информационно-измерительных систем обосновывается, с одной стороны, возрастающей потребностью в высококачественных приводных устройствах, предназначенных для применения в ИИС, а с другой стороны, необходимостью преодоления присущих цифровым системам органических недостатков и максимального снижения затрат при изготовлении таких установок.

Основным содержанием работы является всестороннее развитие изложенной концепции в теоретическом и практическом плане, обоснование, разработка и исследование новых структур такого электропривода и оригинальных технических устройств, оценка целесообразности и эффективности применения разработанных электроприводов в различных информационно-измерительных системах.

Цель и задачи работы. Основной целью работы является решение важной научно-технической проблемы анализа, синтеза

и практического создания микропроцессорных импульсно-фазо-вых электроприводов для информационно-измерительных систем.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих основных задач:

1.Разработка рациональных структур многофункциональных электроприводов, определение круга задач, решаемых на программном и аппаратном уровне, а также состава и конфигурации технических средств и алгоритмов реализации программного обеспечения.

2.Разработка адекватных рассматриваемому классу электроприводов математических моделей, учитывающих особенности цифровых регуляторов, устройств по обработке частотных сигналов, используемых электродвигателей и способов управления ими, а также объектов управления. Экспериментальная проверка результатов моделирования.

3.Выявление характера изменения и величин дестабилизирующих факторов, наличие которых о