автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования станочного оборудования на основе разработанных моделей импульсного управления электромеханическим преобразователем

На правах рукописи

Чумаева Марина Вячеславовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СТАНОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)

АВТОРЕФЕРАТ

и МАР Ш

диссертации на соискание ученой степі кандидата технических наук

005011845

005011845

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный кандидат технических наук, доцент

руководитель: Филатов Владимир Витальевич

Официальные Волков Николай Васильевич, оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО для инвалидов с нарушением опорно-двигательной системы "Московский государственный гуманитарно-экономический институт", профессор

Цыпкин Владимир Николаевич,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО "Московский государственный

технический университет радиотехники, электроники

и автоматики", доцент

Ведущая ФГБОУ ВПО Владимирский государственный

организация: университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Защита состоится « 27 » МСХргТ 4 2012 г., в. /4-оо часов на заседании диссертационного совета Д212.142.04 при ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127994, г. Москва, Вадковский пер., д.За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения (организации), высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д212.142.04.

(?,

гоМлл 2012 г.

Автореферат разослан «;

22,

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н.

Иванов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные автоматизированные металлорежущие станки осуществляют изготовление деталей методом формообразования с помощью перемещения рабочего органа по заданному контуру, что предусматривает следящий режим работы системы управления. Требования к надежности функционирования и точности обработки на металлорежущих станках с ЧПУ постоянно повышаются. Энергетические характеристики, динамические свойства, точность технологического оборудования в значительной степени зависят от мощности и диапазона регулирования скорости электромеханического преобразователя (ЭМП), преобразующего электромагнитную энергию в механическую энергию вращательного движения.

Развитие средств силовой электроники и цифровой вычислительной техники способствует замене в электроприводах металлорежущих станков коллекторных двигателей постоянного тока на бесконтактные типы двигателей. В электроприводах подачи нашли преимущественное применение бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ), в которых механический щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором. Это позволило улучшить энергетические показатели и повысить надежность станочного оборудования. Однако БДПТ отличаются относительной сложностью системы управления и сравнительно высокой стоимостью.

Применение бесконтактных двигателей постоянного тока в последние годы вызвало повышенный интерес к проблемам компьютерного моделирования сложных процессов управления БДПТ, о чем можно судить, например, по выходу монографий Чемоданова Б.К., Подураева Ю.В., Германа-Галкина С.Г., Овчинникова И.Е., в которых рассматриваются эти вопросы. Вместе с тем, целый ряд вопросов, связанных с особенностями управления электромеханическим преобразователем в составе привода подачи металлорежущих станков, не исследован достаточно подробно и требует решения.

Как объект управления БДПТ представляет собой мехатронную систему, содержащую электромеханический преобразователь, оснащенный датчиками выходных величин (угла поворота, скорости вращения, момента), силовой исполнительный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией сигнала и цифровую систему управления. Для разработки принципов управления и создания следящих систем автоматического управления (САУ) требуется подробное описание процессов в БДПТ. Для этого необходимы исследования влияния параметров электромеханического преобразователя на динамические характеристики системы управления. Наличие нелинейностей в структуре САУ создает значительные математические трудности при проведении анализа и синтеза системы.

; Поэтому исследование и проектирование САУ с бесконтактными ЭМП предусматривают разработку новых подходов к решению этих вопросов. Создание совокупности математических и имитационных моделей отдельных узлов и системы управления БДПТ в целом соответствует этим требованиям. Имитационные модели позволяют максимально достоверно оценивать параметры технико-экономических характеристик существующих и создаваемых управляющих систем в современном станочном оборудовании, что свидетельствует об актуальности темы работы.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования станочного оборудования, заключающееся в повышении производительности и точности обработки за счет улучшения характеристик импульсной системы управления электромеханическим преобразователем с использованием компьютерного моделирования процессов на основе разработанных имитационных моделей.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

- анализ процессов в электромеханических преобразователях станочного оборудования для создания их математического описания, необходимого для создания имитационных моделей;

- обзор возможных методов управления ЭМП и анализ их особенностей для разработки оптимальных САУ;

разработка методики сквозного моделирования процессов динамического управления БДПТ;

- разработка совокупности математических моделей разного уровня разомкнутой и замкнутой систем с широтно-импульсным управлением каналами БДПТ;

- разработка имитационной модели системы широтно-импульсного управления каналами БДПТ;

- создание методики проведения вычислительного эксперимента и проведение экспериментальных исследований характеристик широтно-импульсного управления каналами БДПТ.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы методы теории автоматического управления, электромеханических систем и автоматизированного электропривода, теории нелинейных электрических цепей, мехатроники, а также математический и численный анализ для обработки и интерполяции экспериментальных данных. Исследование процессов выполнено методами математического моделирования с применением разработанных автором программ и имитационных моделей. Реализация математических алгоритмов осуществлена в программных средах Matlab и MathCAD. Схемотехническое моделирование проведено с использованием программного комплекса MultiSim.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении связей между технологическими требованиями к

i

автоматическим системам управления станочным оборудованием и основными характеристиками импульсных систем управления электромеханическим преобразователем металлообрабатывающего станка на основе разработанных имитационных моделей;

- применении методов гармонического баланса и медленно меняющихся амплитуд, позволивших повысить точность анализа при сквозном

моделировании нелинейных систем управления бесконтактным двигателем постоянного тока;

- определении функциональных зависимостей между характеристиками моделей импульсной системы управления БДПТ и параметрами широтно-импульсной модуляции, а также соотношений между параметрами широтно-импульсной модуляции и параметрами регуляторов и построении областей изменения параметров управления;

- выявлении зависимостей между динамическими показателями качества системы импульсного управления и обобщенными параметрами электромеханического преобразователя на основании созданной совокупности имитационных моделей.

Практическую значимость имеют следующие результаты работы:

созданная совокупность разноуровневых математических и имитационных моделей импульсного управления бесконтактным двигателем постоянного тока, обеспечивающая эффективное исследование процессов в управляющих системах станочного оборудования;

разработанная методика определения параметров широтно-импульсного управления промышленным бесконтактным двигателем постоянного тока;

- разработанная методика сквозного моделирования импульсных систем управления в частотной и временной областях;

- разработанный на основе созданных моделей и алгоритмов лабораторный практикум «Исследование характеристик импульсной системы управления электромеханическим преобразователем на основе имитационной модели в среде МиМБт 10», который может быть рекомендован для использования в учебном процессе по направлениям: 151900 "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств"; 220700 "Автоматизация технологических процессов и производств" в высших учебных заведениях.

Достоверность полученных результатов определяется корректным применением методов теории автоматического управления, положений теории 6

электротехники и электрических машин, теории автоматизированного электропривода, численного интегрирования и подтверждается совпадением результатов математического и имитационного моделирования с данными экспериментальных исследований стендовой системы широтно-импульсного управления электродвигателями.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях: на Х1-й научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» (Москва, апрель 2008 г.); на ХП-й научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» (Москва, май 2009 г.); на Международной научно-технической конференции «Мехатроника, Автоматизация, Управление» (МАУ-2009) (Геленджик, сентябрь-октябрь 2009 г.); на ХШ-й научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» (Москва, май 2010г.); на Ш-ей научно-образовательной конференции МГТУ «Станкин» и МОиН РФ «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-2010) (Москва, ноябрь-декабрь 2010г.).

Внедрение результатов исследования осуществлено в учебный процесс ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» по дисциплинам: «Теория автоматического управления»; «Электротехника и электроника»; «Автоматизированный электропривод» в виде лабораторных практикумов.

Публикации. Результаты диссертации отражены в 10 опубликованных печатных работах, в том числе в журналах «Вестник МГТУ «Станкин» и «Естественные и технические науки», входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 197 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 99 наименований и 2 приложений. Основной текст изложен на 168 страницах, включает 117 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена область исследования, обоснована актуальность темы диссертационной работы и поставлена цель исследования.

В первой главе проведен анализ электромеханических преобразователей станочного оборудования. На основании анализа установлено, что в современном станочном оборудовании в качестве электромеханического преобразователя для станков, использующих двигатели малой и средней мощности, в связи с развитием микропроцессорной техники и производства магнитов с высокими коэрцитивными показателями, стало возможным эффективное применение бесконтактного двигателя постоянного тока вместо коллекторного двигателя постоянного тока. Наличие наименований бесколлекторных электродвигателей на первых страницах производственных программ ведущих зарубежных и отечественных электромашиностроительных компаний Siemens AG, General Electric, Bosch Rexroth AG, Ansaldo, Fanuc, ОАО "Машиноаппарат" (Москва), Чебоксарский электроаппаратный завод (ОАО "ЧЭАЗ"), ОАО "КБ ПА" (г. Ковров) и др. подтверждает этот вывод.

Бесконтактный двигатель - это система, образованная синхронной машиной (СМ), датчиками (Д), силовым коммутатором (CK), и устройством управления (УУ) коммутатором. СМ в БДПТ выполняет функции электромеханического преобразователя (ЭМП). Функциональная схема бесконтактного двигателя приведена на рис.1

Рис.1. Функциональная схема бесконтактного электродвигателя

Анализ характерных особенностей двигателей, а также принципов, способов и алгоритмов управления бесконтактными двигателями позволил 8

сделать заключение о том, что наиболее эффективной структурой системы управления электромеханическим преобразователем в БДПТ является двухконтурная следящая структура подчиненного регулирования по скорости и по положению с широтно-импульсным управлением питанием фазных обмоток статора.

Импульсные системы управления (ИСУ) ЭМП представляют собой сложную динамическую систему. Электронно-управляемая по замкнутому принципу электромеханическая система обеспечивает выполнение программного задания (ПЗ) рабочим механизмом (РМ) (рис.2).

Рис.2. Состав станочной системы управления с ЭМП в виде БДПТ

Электромеханический преобразователь управляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) входного напряжения. Система обратной связи реализована в виде совокупности датчиков (Д) и обрабатывающей их сигналы информационно-измерительной системы (ИИС). Управляющая система (УС) осуществляет цифровое управление. Силовой модуль выполнен в виде электронного коммутатора (К).

Среди импульсных способов управления ЭМП способ с использованием ШИМ сигнала является наиболее экономичным.

При анализе систем ШИМ-управления БДПТ выделены системы скалярного управления с классической функциональной структурой и цифровой структурой ШИМ-управления с использованием эталонных моделей. Обосновано применение сквозного моделирования в исследовании и проектировании сложных динамических систем. Для различных целей и при различных допущениях (заданной степени идеализации) составляется совокупность моделей, отражающих различные свойства системы: физические

модели в виде испытательных стендов; математические модели в виде функциональных и структурных схем, а также в виде уравнений на основе обобщенной машины и в виде уравнений состояния. Особый класс моделей составляют численные модели: аналитические и имитационные. Все модели необходимо проверять на адекватность, достоверность и точность. Это может быть выполнено в процессе осуществления полного цикла вычислительного эксперимента, фактически повторяющего проведение натурного эксперимента, для моделей разного типа и уровня.

В работе проанализированы структурные модели так называемого векторного управления, т.е. модели, в которых применяется векторная ШИМ (широтно-импульсная модуляция выбранных базовыми векторов, задающих направление вращения ротора двигателя). Рассмотрены модели, в которых управление синхронной машиной осуществлено: на основе уравнений обобщенной машины и прямых и обратных преобразований Парка-Кларка; и на основе поддержания в обмотке двигателя на интервале коммутации заданного фиксированного уровня тока. Существуют разработанные в пакете МшЬаЬ-5/тиИпк имитационные модели, реализующие идею этих конструкций. Модели БДПТ построены на основе библиотечных блоков синхронной машины и универсального преобразователя, что ограничивает возможности параметрического и структурного варьирования модели. Существует также модель ШИМ-управления каналами СМ, построенная для упрощенной математической модели двигателя постоянного тока без учета вязкого трения. Однако, при разработке станочного оборудования необходимы гибкие имитационные модели, имеющие возможность быстрой эффективной трансформации под конкретные задачи.

В результате исследования приведенных моделей определены границы их применимости и поставлена задача создания совокупности имитационных моделей импульсного управления бесконтактным двигателем постоянного тока, обеспечивающих эффективное исследование процессов в управляющих системах станочного оборудования.

Для рационального выбора среды моделирования рассмотрены возможности современных типовых программных средств систем автоматизированного проектирования (САПР), таких как OrCAD, System View, Electronics Workbench и среды моделирования Matlab-Simulink. Выбор сделан в пользу программного комплекса MultiSim САПР Electronics Workbench.

В результате проведенного анализа сделаны выводы о том, что на различных стадиях проектирования систем управления ЭМП станочного оборудования необходимы математические и имитационные модели разного уровня, отличающиеся степенью обобщенности и сложности. В процессе проектирования важная роль принадлежит имитационному моделированию, как отдельных элементов, так и системы в целом. Рациональный выбор используемой программной среды позволяет эффективно организовывать и проводить вычислительный эксперимент с целью идентификации, верификации и валидации разработанных имитационных моделей. На основании этих выводов сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведены разработанные разноуровневые математические аналитические модели отдельных блоков и в целом системы широтно-импульсного управления БДПТ.

Системы управления ЭМП с широтно-импульсной модуляцией являются существенно нелинейными. Нелинейности порождены ограничением при модуляции максимальной ширины импульса и нелинейной функциональной зависимостью длительности импульсов от входного сигнала.

Моделируемая система ШИМ-управления БДПТ рассматривается как следящая система, структурная схема которой приведена на рис.3.

Объект управления - ЭМП представлен трехфазной синхронной машиной с двухполюсным ротором на базе постоянного магнита; управляющее устройство - силовой электронный преобразователь (СЭП) образован коммутатором, ШИМд(вд и регуляторами Рег1Л(ВД и Рег2А(ад; Д1,Д2 -датчики; ИИУ -информационно-измерительное устройство; С - устройство сравнения; ИПН - источник постоянного напряжения.

и„(0

к о -* Рег1д ШИМА Рег2д

m m

у т а т Perl g ШИМВ Рег2в

и р -» Perle ШИМС Рег2с

ксэп

Д1

ИИУ Мб) Д2

Рис. 3. Структура модели ШИМ-управления трехфазным БДПТ

Процессы, протекающие в системе, описывают сигналы: fl(f) - угловая скорость вращения ротора синхронной машины (управляемая величина); иА(в,с)(0 - управляющие воздействия; 0(i) - угол поворота ротора (измеряемая величина); «dkd2,d3)(9) - импульсные напряжения обратной связи; ea(b,cjO) -отклонения значений напряжений обратной связи от задающего воздействия м„(0; Mcnit) - момент статической нагрузки на валу двигателя (возмущающее воздействие).

Уравнения электромагнитного состояния якорных обмоток ЭМП БДПТ составлены при общеизвестных допущениях с учетом размещения обмоток в активной зоне машины:

ил = RJa + <Г¥а /dt = RAiA + La diA ¡dt + QkE cos 9 ug = RBiB + (T¥B/dt = R„iB + LB diB/dt + ПкЕ cos(8 - 2л/3). uc = Rcic + d*¥c ¡dt = Rcic + Lc dic/dt + OkE cos(9 - 4ir/3)

Уравнение связи: 9 = 9j- + 2nn, где 9j-= Ш и 0 < 9Г< 2n .

В данных уравнениях используются следующие обозначения: uAfB,ch iaib.q-напряжения и токи фаз обмоток якоря; Va(b,c) ~ потокосцепления; Ra(b,c>> ^мв.с) - сопротивления и собственные индуктивности фазных обмоток; Q - угловая скорость вращения ротора; кЕ = сЕФт- коэффициент пропорциональности ЭДС;

Фт- амплитудное значение потока ротора; с1:- конструктивная постоянная двигателя.

Выражение развиваемого электромагнитного момента Мэ:

Мэл =км1лсоад, ' М:ш=ки1всо$(дТ-2к/3) , Мх = ки1с со8(вг - 4л:/3)

где км =смФт - коэффициент электромагнитного момента, см - конструктивная постоянная двигателя.

Уравнения механического состояния двигателя:

где 7- общий момент инерции ротора, Р - коэффициент вязкого трения (в работе принято допущение о пропорциональности момента трения скорости вращения).

Датчик положения ротора ДПР срабатывает в дискретные моменты времени, кратные значениям Ц = 0; л/3; 2я/3; я; 4л/3; 5л/3; 2л. В силовом электронном преобразователе по команде коммутатора на основе информации, полученной от ДПР в виде сигнала ио(0), и задающего воздействия иусТ вырабатывается управляющие напряжения для обмоток статора.

Общая математическая модель системы управления построена на основе математической модели ЭМП. В предположении о полной электромагнитной симметрии системы БДПТ моделирование системы ШИМ-управления можно реализовать на примере одного канала с последующим учетом числа каналов.

Линейная модель широтно-импульсного модулятора задана уравнениями:

1 = ти0+ ^шим^упр > ^вьишим ^шим^упр) '

где т - длительность выходного импульса, т^ - значение длительности импульса при *Уупр0= 0, Т-период следования импульсов, Кшим - передаточный коэффициент ШИМ, иущ - управляющее напряжение, {/выхШИМ - среднее значение выходного напряжения ШИМ модулятора, и - амплитуда выходного импульса.

На основе линейной модели ШИМ построена математическая линейная модель импульсной системы управления БДПТ по отклонению. Эта модель позволила установить функциональные зависимости между характеристиками системы управления и параметрами широтно-импульсного модулятора. На рис. 4 представлены построенные по полученным передаточным функциям в программе МаНаЬ временные и частотные характеристики системы с П- и ПИ-регуляторами при вариации значений параметра А"шим =0.005 (1); АГШИМ =0.05 (2); /Сшим =0.5 (3). Определены показатели качества: время переходного процесса и границы соответствующих полос пропускания со„р

Ьп.В йпи.В

Рис. 4. Временные и частотные характеристики линейной модели: для системы с П-регулятором - а; для системы с ПИ-регулятором - б

Найдены соотношения между параметрами широтно-импульсной модуляции и параметрами регуляторов, построены области допустимых изменений параметров управления. При построении характеристик (рис.4 и 5) использовались параметры БДПТ типа ДБМ140-1,6-6-3-Р18.

Для анализа влияния дискретизации на свойства системы разработаны линейные дискретные модели с помощью аппарата 2-передаточных функций для разомкнутой и замкнутой систем с однополярной и двухполярной ШИМ.

Передаточные функции систем с двухполярной ШИМ:

Ир*з(г) = - передаточная функция разомкнутой системы;

1У;0) = \iUTkJVl (г)/(1 + цЦТк^и)) - передаточная функция замкнутой системы.

Передаточные функции систем с однополярной ШИМ:

= + ",т) - г-передаточная функция объекта

управления, ц - коэффициент модуляции, к0А - коэффициент обратной связи.

Существенная нелинейность исследована на моделях, построенных с использованием эквивалентной релейной нелинейности:

для £у([1Т]>0 -ц1/27ТУ;,(г)), для еА[1Т]<0 - передаточная функция разомкнутой системы;

- передаточная функция замкнутой системы, где

1 + И'шим . ¥4)^ (ую)'

где

^шимО'и) =

^пшміКу.^г). соє [2кп,(2к + \)т{ .^шимгСсо,^,^), ю є [(2& + 1)тс,(2к + 2)л[

, £ =0,1,...,

(лух

_ 2и Біту,

21} віпу,

(сое*);,- Біту, _/Хі-соэсй(\]/2-\|/,) + ібіпа(у2 -у,))

(лУх)(У 2" V,))

«ХХУ 2"¥І)

(сову, - біті/, Яі_ соб со(\|/4 - - я) + і біп ш(\|/4 - у, - л))

коэффициент модуляции нелинейной модели,

¥1=1,2,4 - аргументы входного сигнала.

Рис. 5. Временные и частотные характеристики нелинейной модели Для исследования устойчивости и качества нелинейных моделей применены метод гармонического баланса и метод медленно меняющихся амплитуд.

В результате исследования определены функциональные зависимости характеристик нелинейной модели системы управления от параметров широтно-импульсной модуляции и обобщенных параметров ЭМП (рис.5).

Методами ТАУ проведен анализ разработанной совокупности математических моделей. Выявлены зависимости устойчивости и качества моделей от параметров ЭМП, ШИМ и регуляторов. Разработана методика определения параметров широтно-импульсного управления промышленными бесконтактными двигателями постоянного тока.

На основе проведенного анализа созданных моделей сделан вывод о том, что в исследованиях, направленных на повышение эффективности станков, математические модели продуктивны на ранних стадиях проектирования систем управления станочным ЭМП. Однако, ввиду сложности этих систем математические модели плохо разрешаемы аналитическими методами. Поэтому дальнейшие исследования требуют имитационного моделирования с применением компьютера.

В третьей главе представлена динамическая имитационная модель БДПТ, разработанная по блочно-модульному принципу как мехатронная система в программной среде МиМБтЮ. Модель базируется на исходной системе дифференциальных уравнений и реализует взаимодействие четырех

иерархических блоков (модулей): блока ELECTROMECHANICAL (Х4) - модель объекта управления СМ; блоков DECODER (X2) и COMMUTATOR (ХЗ) - модель СЭП; блока RPS (XI) - модель ДПР (рис.6).

Рис. 6. Схема модульной имитационной модели БДПТ

Формирование общей структуры модели в виде соединения отдельных блоков обеспечивает гибкость модели, т. е. возможность изменения структуры посредством вариации соединения и типа, а также изменения численных значений параметров иерархических блоков.

Имитационная модель следящей системы управления с применением широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала разработана на базе созданной имитационной модели ЭМП. Модель ЭМП построена по уравнениям состояния, записанным в интегральной форме. Модель системы управления имеет возможность применения комбинированного способа управления. Схема модели приведена на рис.7.

Рис. 7. Модель системы управления с широтно-импульсной модуляцией

Электромагнитные процессы моделируют элементы Rl, LI, Al, V5. Электромеханические процессы реализуют элементы А2, A3, А6, А1 и источники постоянного напряжения V3 и V6. Блок управления образуют блоки V7, All, А12, А13, А15, А16. Компонент Controlled One-Shot (V7) эффективно моделирует исполнительные функции устройства ШИМ и позволяет реализовать весь спектр настроек, применяемых в реальных импульсных автоматических системах. Регулирование скорости вращения двигателя осуществляется напряжением Иу„р(0> поступающим на вход модулятора.

Модель стабилизирует скорость, а также позволяет исследовать влияние на скорость n(t) и электромагнитный момент Мэ(0 управляющего напряжения иупр(г) и нагрузочного момента Мсн (0 (рис.8).

Рис.8. Временные характеристики п(Г) и Л/э(0 модели: а - при изменении управляющего напряжения £/уцр, б - при изменении момента нагрузки МСн (О

Анализ результатов моделирования процессов управления показал, что лучшую динамику при использовании в качестве регулятора РЕГ2 (см. рис.3) дает ПИ-регулятор, настроенный на технический оптимум (рис.9). В качестве регулятора РЕГ1 достаточно использовать П-регулятор.

3000 2000 1000 ООО

н. обмин 30 20 10 0 А/э.Нм и. об/мпн

/Г 1666 1666

/. мс (, мс

3000 2000 1000 0.00

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 3 5 40 45 50

о) б)

Рис.9. Временные характеристики модели системы управления: с ПИД-реіулятором - а; с ПИ-регулятором - б

Для решения задачи стабилизации скорости двигателя с учетом возмущений в заданном диапазоне изменения нагрузки разработана имитационная модель, представленная на рис.10,а. Возможности модели иллюстрирует рис.10,б.

иирг

V« А17

□Н

11а

ІЛІ и

ЕШ

А9 VI

а)

ь-э-

С)-'

ЇЕГ

Рис.10. Модель, учитывающая возмущения: схема модели - а; результаты виртуального эксперимента - б

При построении модели системы управления электромеханическим преобразователем была создана многоуровневая совокупность имитационных моделей элементов, образующих модули БДПТ. Разработанные МиШ5ип-модели отдельных элементов и в целом системы управления бесконтактного ЭМП станочного оборудования позволяют моделировать процессы импульсного управления во временной и частотной областях. На основании полученных характеристик этих процессов выявлены зависимости между динамическими показателями качества системы импульсного управления и обобщенными параметрами электромеханического преобразователя.

На основании созданных моделей и проведенных исследований сформулированы основные положения методологии сквозного моделирования системы управления ЭМП станочного оборудования.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования импульсной системы управления бесконтактным двигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов с применением широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала иущ,(1). Получены временные характеристики системы. По результатам эксперимента проведена параметризация моделей ЭМП и системы управления.

Испытания проходили на базе универсального испытательного стенда для экспериментальных исследований электропривода постоянного тока (рис. 11).

Рис.11. Универсальный испытательный стенд

Стенд включает в себя исполнительный двигатель (1), нагрузочное устройство (2) и цифровое устройство управления с использованием широтно-импульсной модуляции сигналов (4). Валы двигателей соединены соосно сильфонной муфтой (3). Схема эксперимента изображена на рис.12.

Рис.12. Функциональная схема эксперимента Исследование проведено в два этапа. Первый этап состоял в экспериментальной идентификации и верификация модели ЭМП. Второй этап -проверка работоспособности модели системы управления.

Экспериментальная идентификация модели ЭМП заключалась в определении неизвестных параметров двигателя на основе его паспортных данных и экспериментальных характеристик (рис.13). Верификация модели двигателя осуществлена в номинальном режиме.

Рис. 13. Временные зависимости: а - скорость вращения двигателя n(t), б - напряжение на обмотке якоря иА (0, (¡'дуст =8.5 В)

Идентификация модели системы управления осуществлена на основе сравнения характеристик n(t) и Мэ(0 в номинальном режиме с экспериментальными номинальными значениями скорости и

электромагнитного момента двигателя. Предварительно были рассчитаны параметры настройки широтно-импульсного модулятора по методике, приведенной в главе 2, и коэффициенты регуляторов по алгоритму настройки системы на желаемую передаточную функцию.

Проверка работоспособности модели системы управления заключалась в сравнении временных зависимостей входного напряжения uA(j) и скорости вращения л (7), полученных в результате физического и виртуального эксперимента (рис.14).

Ыажсп, В I I !

і І '-с і

SQ0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 а)

а, об 'шш : ; А

I .. V.......... .....V .................................

I ............І .... і .... і ... . h с » ■ » ■ і « > » ■ t « ■■ ■ » і ■ ■ ■ ■ і ■ ■ ■ ■

мо іоос isoo г ооз гьоо зооо »оо дооо «мо

Рис.14. Напряжение uA(t) и скорость вращения двигателя nit) в физическом эксперименте (а, в) и в результате моделирования (б, г) при изменении момента статической нагрузки (д)

Полученные характеристики свидетельствуют об адекватности имитационной модели реальной системе.

Реализация полного цикла вычислительного эксперимента позволяет сделать вывод об эффективности применения разработанных имитационных моделей в проектировании системы управления ЭМП станочного оборудования на основе БДПТ для повышения производительности станков и точности обработки деталей.

В приложениях приводятся: 1) разработанный лабораторный практикум; 2) тексты программ для расчетов в системе МаЛсаЛ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В процессе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Повышение эффективности функционирования станочного оборудования (производительности и точности обработки) достигается за счет использования разработанных математических и имитационных моделей и применения схемотехнического моделирования на этапах проектирования и наладки систем управления электромеханическим преобразователем (ЭМП) станочного оборудования.

2. На основании проведенного обзора методов управления ЭМП и анализа их особенностей в оптимальных САУ выбрана структура построения моделей системы управления ЭМП для исследований при разработке и проектировании систем управления металлообрабатывающих станков с ЧПУ.

3. На основе совокупности разработанных линеаризованных и нелинейных математических моделей системы управления бесконтактным двигателем постоянного тока (БДПТ) установлены функциональные зависимости характеристик управления в частотной и временной областях от параметров широтно-импульсного модулятора: коэффициента модуляции, периода квантования, амплитуды и длительности импульса; получены соотношения между параметрами модуляции и коэффициентами регуляторов, которые определяют области устойчивой работы моделей.

4. Показано, что при сквозном моделировании нелинейных систем управления БДПТ применение методов гармонического баланса и медленно меняющихся амплитуд позволяет повысить точность анализа динамических процессов управления, что делает более эффективными процедуры проектирования станочного оборудования.

5. На основе созданной совокупности имитационных моделей в динамических режимах выявлены связи между показателями качества управления электромеханическим преобразователем (точностью, быстродействием) и механическими параметрами (скоростью вращения, развиваемым моментом), позволяющие реализовать оптимальное управление процессом обработки.

6. Разработанная обобщенная методика сквозного моделирования, позволяет осуществить полный цикл вычислительного эксперимента при проектировании систем управления электромеханическим преобразователем станочного оборудования.

7. Проведенные экспериментальные исследования показали пригодность моделей для эффективного применения при разработке систем управления приводами подачи станков.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Филатов В.В., Чумаева М.В. Моделирование широтно-импульсного преобразователя в профессионально-ориентированном программном пакете МиШБт. И Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. -М.: МГТУ «Станкин», №2(10), 2010. - с.79-85.

2. Филатов В.В., Чумаева М.В. Моделирование в программном пакете МиШЗт системы управления электродвигателем с широтно-импульсным преобразователем. // Журнал «Естественные и технические науки» № 2, 2010. -с.347-353.

3. Кузовкин В.А., Филатов В.В., Чумаева М.В. Моделирование бесконтактного электродвигателя постоянного тока в среде МШ-ТІБІМ. I/ Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. - М.: МГТУ «Станкин»,№1,2012. - с.90-96.

Статьи и материалы конференций:

4. Филатов В.В., Чумаева М.В. Моделирование процессов управления двигателем постоянного тока. Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. - М.: МГТУ «Станкин», №3 (7), 2009. - с.117-123.

5. Филатов В.В., Чумаева М.В. Разработка математических моделей двигателя постоянного тока с независимым изменяющимся возбуждением. // Материалы XI научной конференции МГТУ "Станкин" и "Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ "Станкин"- ИММ РАН" по математическому моделированию и информатике: Сборник докладов. / Под ред. О.А.Казакова. - М.: ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2008.- с. 286-289.

6. Чумаева М.В. МиНІБІш-модель импульсной системы управления Д1Г1 с независимым возбуждением и ее характеристики. Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. - М.: МГТУ «Станкин», №4 (8), 2009. - с. 99-106.

7. Чумаева М.В. Построение модели импульсной системы управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением в среде МиШБіт. // Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2009). Материалы Международной научно-технической конференции. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - с.297-299.

8. Чумаева М.В. Моделирование импульсной системы управления ДПТ с независимым возбуждением в среде МІЛ/ГВІМ. // Материалы Х1Г научной конференции МГТУ "Станкин" и "Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ "Станкин" - ИММ РАН" по математическому моделированию и информатике: Сборник докладов. / Под ред. О.А.Казакова. - М.: ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2009. - с. 394-396.

9. Чумаева М.В. Анализ модели системы импульсного управления. // Материалы XIII научной конференции МГТУ "Станкин" и "Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ "Станкин"- ИММ РАН" по математическому моделированию и информатике: Сборник докладов. / Под ред. О.А.Казакова. - М.: ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2010,- с. 303-306.

10. Кузовкин В.А., Филатов В.В., Чумаева М.В. Реализация модели вентильного двигателя в системе МиШБт. II Материалы III научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-2010): Сборник докладов. - М.: МГТУ «Станкин», 2010. - с. 89-96.

Подписано в печать 17.02.12

Объем: 1,5 усл. п. л. Тираж 110 экз. Заказ №107 Отпечатано в типографии «АСВ ПРИНТ» Тел. (495) 745-21-28; www.asvprint.ru

61 12-5/2086

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

УДК 621.313.024;681.30.57

Чумаева Марина Вячеславовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СТАНОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Специальность 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (по машиностроению и машиноведению)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Филатов В.В.

Москва 2012

Содержание

Введение........................................................................................ 4

Глава 1. Постановка задачи моделирования управления

электромеханическим преобразователем современного станочного оборудования............................................................................. 7

1.1. Особенности электромеханических преобразователей современного станочного оборудования.......................................................... 7

1.2. Методы управления электромеханическим преобразователем современного станочного оборудования........................................ 13

1.3. Импульсное управление бесконтактными двигателями постоянного

тока....................................................................................... 19

1.4. Моделирование систем управления современного станочного оборудования......................................................................... 26

1.5. Обзор существующих моделей управления электромеханическими преобразователями в виде бесконтактного двигателя постоянного

тока...................................................................................... 33

1.6. Выбор средств моделирования...................................................... 38

1.7. Выводы по главе и постановка задачи исследования.......................... 43

Глава 2. Разработка математических моделей для систем импульсного управления электромеханическим преобразователем современного станочного оборудования........................................................... 46

2.1. Подход к моделированию нелинейных систем управления электромеханическим преобразователем........................................ 46

2.2. Разработка аналитической модели бесконтактного двигателя постоянного тока...................................................................... 50

2.3. Структура модели широтно-импульсного управления электромеханическим преобразователем в виде бесконтактного двигателя постоянного тока....................................................... 64

2.4. Разработка математической модели элементов системы управления бесконтактным двигателем постоянного тока................................. 66

2.5. Построение линейной модели импульсной системы управления бесконтактным двигателем постоянного тока.................................. 74

2.6. Построение дискретных линейных моделей системы широтно -импульсного управления бесконтактным двигателем постоянного

тока..................................................................................... 82

2.7. Построение нелинейной модели системы широтно-импульсного управления бесконтактным двигателем постоянного тока.................. 93

2.8. Анализ переходных процессов нелинейной модели с помощью

метода медленно меняющихся амплитуд....................................... 100

2.9. Выводы по главе..........................................................................................................................................105

Глава 3. Разработка имитационных моделей импульсного управления

электромеханическим преобразователем в пакете MultiSim....................................108

3.1. Выбор способа построения имитационной модели системы

управления электромеханическим преобразователем..................................................108

3.2. Базовая имитационная модель бесконтактного двигателя

постоянного тока............................................................................................................................................109

3.3. Создание имитационных моделей широтно-импульсного

модулятора..........................................................................................................................................................118

3.4. Создание имитационной непрерывной модели управления каналом бесконтактного двигателя постоянного тока......................................................................123

3.5. Разработка имитационной модели импульсного управления каналом бесконтактного двигателя постоянного тока......................................................................131

3.6. Разработка методики сквозного моделирования процессов динамического управления бесконтактным двигателем постоянного

тока............................................................................................................................................................................139

3.7. Выводы по главе..............................................................................................................................................142

Глава 4. Оценка применимости разработанных моделей............ ................................143

4.1. Экспериментальная проверка адекватности моделей......................................................143

4.2. Сравнение модели и реального объекта......................................................................................153

4.3. Разработка методики вычислительного эксперимента................................................155

4.4. Выводы по главе............................................................................................................................................157

Основные результаты..............................................................................................................................................159

Основные выводы....................................................................................................................................................161

Список литературы....................................................................................................................................................163

Приложения....................................................................................................................................................................169

Приложение 1. Тексты программ для расчетов в системе Mathcad..............................170

Приложение 2. Лабораторный практикум «Исследование характеристик импульсной системы управления электромеханическим преобразователем на основе имитационной модели в среде MultiSim 10»................................175

Введение

Современное станочное оборудование представляет собой единство новейшего электрооборудования, систем управления и высокотехнологичных механических и гидравлических блоков.

Целью данной диссертационной работы является разработка методических основ моделирования динамических процессов импульсного управления электромеханическим преобразователем, построение совокупности математических и имитационных моделей элементов и установление взаимосвязей параметров моделей бесконтактного двигателя постоянного тока с характеристиками системы управления, что позволит повысить эффективность работы станочного оборудования.

Системы управления электромеханическими преобразователями станков с использованием персональной ЭВМ начинают своё развитие в 60-х годах 20-го века. Этапы применения контрольно-измерительных приборов и автоматики, тиристоров, полноуправляемых тиристоров (в 90-х годах), сменяя друг друга, привели к возможности использования импульсного управления для маломощных станков. Станки были оснащены двигателями постоянного тока с подчинёнными аналоговыми системами управления. На следующем этапе развития автоматизации у систем управления станков с ЧПУ появились новые возможности, основанные на применении микропроцессорной техники. В 2000-м году с появлением сигнального микропроцессора начинается переход на цифровое управление через модулирование закона аналогового управления в цифру. С развитием промышленного производства биполярных транзисторов с изолированным затвором ЮВТ (быстрых ключей), модулей на их основе и переходом от микропроцессоров к микроконтроллерам получает распространение прямое цифровое управление.

Современные металлорежущие станки с ЧПУ, как правило, предназначены для изготовления деталей методом формообразования с использованием перемещения рабочего органа по заданному контуру. Это предусматривает применение следящей системы управления, работающей в динамическом

4

режиме. Следящие системы предъявляют высокие требования к быстродействию и точности регулирования, к надежности функционирования и качеству обработки. Современные станки требуют новых систем управления, в которых электротехника, электроника, точная механика, компьютерное управление и информационные технологии составляют единое целое - мехатронный модуль. Реализованные на основе идей мехатроники системы цифрового управления, предполагают наличие универсальных моделей, позволяющих напрямую включать в процесс управления компьютер. С целью сокращения времени обработки информации появляются типовые программные пакеты.

За этот период длиной в 50 лет получили существенное развитие вычислительная техника и силовая электроника, появились высокомоментные двигатели, сформировались новые разделы теории управления (теория цифрового управления), были созданы многофункциональные пакеты программного обеспечения. Возникли новые задачи управления, среди которых задачи построения систем управления новым типом двигателя (бесконтактным с электронной системой коммутации обмоток статора) как единой мехатронной системы. Появились новые возможности решения этих задач. Для реализации этих возможностей требуются новые, более сложные и полные модели, а также рациональный выбор средства моделирования.

Объект управления - электромеханический преобразователь (ЭМП) описывается нелинейной системой уравнений высокого порядка, которая ранее сводилась ко второму порядку (к обобщённой машине). Но для объектов новых систем управления необходимы более совершенные модели, позволяющие более результативно применять численные методы. Следовательно, среди алгоритмов составления дифференциальных уравнений необходимо выбирать способ, эффективно работающий с современными программными пакетами. Для конструкторов наиболее удобным является пакет схемотехнического моделирования МиШБгт, получивший широкое распространение благодаря

компактности, возможности визуализации и прямым связям с другими программными продуктами.

Таким образом, смена элементной базы станочных систем управления, появление новых силовых устройств, ужесточение требований к процессу обработки на станке привели к необходимости проектирования новых систем автоматического управления, требующих разработки новых подходов к вопросам моделирования.

В последние годы появилось немало научных работ, посвященных моделированию процессов в системах управления на основе бесконтактных ЭМП. Среди них работы Чемоданова Б.К., Овчинникова И.Е., Подураева Ю.В., Германа-Галкина С.Г, Панкратова В.В., Мартынова A.A., Кротенко В.В., Kenjo Т., Miller T.J.E., Nagamori S. и др. Однако вопросы цифрового управления ЭМП станочного оборудования с использованием имитационных моделей освещены недостаточно. Поэтому задача исследования импульсных систем управления бесконтактными ЭМП на основе имитационных моделей является актуальной.

Глава 1. Постановка задачи моделирования управления электромеханическим преобразователем современного станочного оборудования

1.1. Особенности электромеханических преобразователей современного станочного оборудования

На современном этапе развитие станков идёт в направлении повышения усилия, скорости и точности обработки деталей. Решение этих задач в значительной степени определяется электротехническим и электронным оснащением станка, в котором основным функциональным элементом является управляемый электромеханический преобразователь (ЭМП), осуществляющий преобразование электрической энергии в механическую.

Одним из стратегических принципов развития металлообрабатывающего оборудования и инструмента является функциональная модульность конструкций [24]. Структура модуля электромеханического преобразователя представляет собой конструктивное объединение объекта управления (ОУ), электромеханического преобразователя, с устройством управления (УУ) (рис. 1.1) через обратные связи по току якоря, по скорости вращения и по положению ротора. Посредством этих связей обеспечивается настройка модуля на желаемый режим работы или требуемые показатели качества. [59] Закон управления определяется задающим устройством - программным задатчиком (ПЗ). Вращательное движение ЭМП преобразуется в перемещение рабочего органа (РО).

Рис. 1.1. Обобщённая схема станочного модуля электромеханического

преобразователя

ЭМП как объект управления имеет входные управляющие воздействия напряжения ц и токи /) (/'=1 фазных обмоток. Выходные величины -механические переменные: скорость вращения ротора п (или угловая скорость вращения О), электромагнитный момент Мэ и угол положения ротора 9 (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Электромеханический преобразователь как объект управления

Исследование свойств электромеханических преобразователей осуществляется на основе анализа статических и динамических характеристик, определяющих зависимости электромагнитного момента Мэ, скорости вращения ротора п и угла положения ротора 9 от управляющего напряжения (тока) и параметров двигателя.

Среди современных ЭМП различают вращающиеся и линейные преобразователи, передающие усилие через механическую передачу, а также планарные, осуществляющие независимое перемещение по двум осям без механической передачи непосредственно через воздушный зазор.

В станках и станочном оборудовании преимущественно используются ЭМП с механической передачей. Разнообразие конструктивных решений, существенно отличающихся магнитных материалов и конфигураций систем обмоток позволили реализовать множество типов ЭМП с механической передачей, обладающих различными свойствами и характеристиками (рис.1.3).

Выбор типа ЭМП для станочного электропривода определяется множеством факторов: характером движения рабочего органа (линейное, угловое); диапазоном перемещения (неограниченное, ограниченное большое или малое); точностными и энергетическими требованиями;

и 1 -►

; к—► ! 'к—►

-►Мэ

ЭМП —

эксплуатационными параметрами; конструктивными особенностями; типом имеющихся источников энергии.

Рис. 1.3. Совокупность типов станочных электромеханических

преобразователей

Выбор конкретного преобразователя определяется требуемыми значениями мощности Р, скорости вращения вала п и электромагнитного момента Мэ.

Широко используемым в приводах подач станков с ЧПУ и промышленных роботах ЭМП до последнего десятилетия прошлого века преимущественно оставался коллекторный двигатель постоянного тока.

Основным достоинством двигателя постоянного тока (ДПТ) является линейность механических и регулировочных характеристик. В сочетании с простотой схемы управления это позволяет обеспечить высокую точность отработки управляющего сигнала при значительном диапазоне изменения частоты вращения.

Однако наличие электромеханического коллектора, который обладает невысокой надежностью и создает значительные электромагнитные помехи, существенно ограничивает применение ДПТ в современных станках (в настоящее время коллекторные двигатели постоянного тока используют менее пятой части электроприводов).

Бесконтактный двигатель постоянного тока (БДПТ), лишён этих недостатков, но также как ДПТ обладает линейными характеристиками в рабочем диапазоне. При устранении скользящего контакта БДПТ сохранил основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется скоростью вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя [63].

Бесконтактный двигатель представляет собой преобразователь, в котором реализовано единство объекта и системы управления. В БДПТ щеточно-коллекторный преобразователь заменен силовым электронным преобразователем (СЭП), вырабатывающим для синхронной машины (СМ), в которой якорь находится на статоре, а ротор образован постоянными магнитами, управляющее воздействие йупр(7) в соответствии с задающим сигналом мвх(0- Обратную связь осуществляет датчик положения ротора (ДПР), формирующий напряжение щ{() в зависимости от угла поворота ротора 0 (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Структура бесконтактного двигателя постоянного тока

Бесконтактные двигатели обладают целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ [4,59,65,9,10,64]:

бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания, что существенно повышает ресурс и надежность по сравнению с коллекторными машинами постоянного тока;

высокие энергетические показатели (КПД бесколлекторных двигателей превышает 90% и незначительно отклоняется от номинального при вариациях нагрузки);

большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно допустимый момент и ток БДПТ могут превышать номинальные значения в 5 и более раз);

высокие регулировочные свойства и динамические характеристики,

высокое быстродействие;

жесткая механическая характеристика;

большой диапазон регулирования угловой скорости вращения (1:10000 и более);

возможность работы при малых оборотах с сохранением высокого момента на валу;

минимальные токи холостого хода; хорошие массогабаритные показатели; повышенный момент и мощность на единицу объема и веса. В станочных бесконтактных д