автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Прецизионная цифровая система управления вентильным двигателем

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА I! ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ иаеня СЕРГО 0РД10ШШ1ДЗЕ

На правах рукописи УДК 621.313.13

КОСОВ Виталий Олегович

ПРЕЦИЗИОННАЯ ЦИФРОВАЯ (ЖТШ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНИШЫЫМ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 "Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование"

/

Автореферат диссертации на соискание ученоП стелени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Университете друзсбы народов ии.П.Лу-

иуибы.

Научный рукоьодитель: доктор технических наук, профессор

САЛЮТОВ л.;.!.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

:.!КЛ0В30Р0В В.П.

кандидат технических'йаук,доцент КУЛИКОВ Н..И.

Ведущее предприятие:- НПО "Астрофизика", г.Уоскла.

Зацита диссертации состоится ^^/¡и,* 1992 г.

на заседании Специализированного Совета К 1)53.18.08.в Московской ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационной институте имени Серго Орджоникидзе.

С диссертацией цохно ознакомиться в библиотеке института.

Адрес института: 125871, г.ыосква, ГСП, Волоколамское шоссе, дЛ, ШШ.

•Автореферат разослан " ^ у?1992 г.

Учений.секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент .

-В.Н.БАЗАРОВ

ОБЩА?. X-IPj i! L: ПIG Ti ЛIA rñiOiLi

Актуальность re:.:-;. Согрсмогшэе рзз:-лг::з rxy:a r-.ou-i:::'.:: orsriií задачи по создании йрзцхзлогшух слегал у довлел:::: зла::1-гропрлводоа дик поддсрланл;; b¡:со::о.-: гэчиозгл ага.лллзаллР лгно-звеклоь частого вращения. Ь го кс врзлц ice cor.es ллрэхэе распространение получал:? <г.;с1:гролр:п.Ом- ла основе -.снтллвллн двл-rsienoíU Это обусловлено конструктивно:: ссооь::::эсу:.з ai-oro т::-aa aasiai» Oicjicii.i:e ¡азасчно-ход^ехгорпого ^зхь г. воабу^ен:::; от посгокникх латиагов лззвсхяег гоглокп, кедзлносгв слетел, раслпрагь длапасоп регулирован:;::, ojeteen сало с::::гпг:> лул.Ь::зх-рое разв::г:ге л::кроглект;.они::и :: лнкролроцесссрлон таллл::л позволило проектировать цлОровле слсте..л; управнзлл:; о разлл'лл.: л: типа:.': регулпгороа с лолслителвлллл л огряцв-злыикш обрати:.ли связней» Подобные с::сгсла нахед:::: ллрекое лрллзлелле ь :.:аллн:-строенлл, цодцд:шско:1 тохнлле, е разллчллл алоталах управлении авиационной и иссллчосхо! гс.-аии*.;'., Лосгрг«:'.1И лл^оладлапазоилл:: слетел гпраь::вк::я элсктронрнлодсл с хзролллл лалелгнллн ларакте-рксгика-я позволяет отказлватзел ст до. згэсголдлх радунто.юв, :.с» создавать безредукторнлз слстелл. Зозд^отглс д.л'орл.:.л:;с-: ваяно.1 лзреленлол нагрузил на елегелу :i посг;/зек/.е -ллракодлала-зонпоР системы управления сг^влг задачи посзросклл систелл управления с нслользсванле.и лорргктлру.г.зго устро: з?ва.

Цель работ. разработка л исследование влсолсточкого злел-'ропрлгода на базе вентильного двигателя с ллрокпл дналагонсл ;егуллровапиа прз воздействии резкоперелен.хР нагрузки.

Для достижения поставленной долг, потребовалось: Влбрать рациональнуо структуру электропривода из условл.1 вл-okoíí гочиосгл стабилизации з лпронол диапазоне регулировании. » Проведение .математического моделировании контура стабллиза-•ди вейгкдького электропривода с частотно-разовлл дпслрнлииато-o.'i л цлОровлц управление;.! с учегол возлудал_,его воздействия. , Проведение оценки устойчивости слстелл и влоср основнлх ла-алетров электропривода при заданном показателе качества. » Проведение экспериментальных исследован;::., оценка техничее-ах параметров и влдача рекомендаций к проектированию.

Объект исследования.- Обвзкталп лабораториях исследован:;;'; г.улплн оплтнлл образец nep4.¿3 лонного насоса БП-С2 "Лскусствен-1Я почка'1, йзгчп'овлиалого на опытно.: заводе BlílI'.aLI, ?..'дозкза,я

оксиоримокзальп-гз сбрасд..:, кшоззекпзз на кауедре обцей к спе-•цкисдс:. срсгУиивгуспгеха дру:»бм народов и^.И.Луауы-6i:.2Kcnop:>:cHj:a-.iH."e ксгкедоиаьаа проводились в период с 1У55. I^U г.г.

• цзилсгоьаж^.« В процессе вапояпеаая раоогк ясполь-зоьанм: узорпа аьзоаазпчесхэго рв^улкрогшшл; теория цп..ров:п: систем у гг. „влеки;.; ¡¿.-.зэд крос.2рецсгга соезоянкк; кризоana устойчивости Гурв/.ца ;i 'ЛаГ.ивисза; метода цизгпазичеекого л ..агическо-го моделировал.:::; мьводм .„.ото^есмки осдиллоградпровааая.

Определенно ojoacreh устойчивости осу^озвлялось по раз-гаюгека-:: г.. о грамма:.:, юиоааеаг»: на яз^ке "Бекеше", ¡латеааги-чесиое моделирование осу^сзвлялоеь на цезаяв "ДЗл-З^".

?сг::схрзд!к ксслодуелл:: параачгрои ооуцествлякась с по-мо:;ък автоматического са.:опицу;цсго устройства, визуальных приборов и устройств.

iia? Ч'.ая нсзпзаа. Научна;; новизна заключается в разработка и ръдеькп слодуюцк:-: теоретических и практических вопросов:

- разработка система нелпненнмх р^зиостних уравнений, опасива-ыцая поведение контура стабилизации олектролрпвода с чаезозно-'¿азовмм дискриминатором с учетом мо.ленза нагрузки;

- ъосзавлзаа систола разиосхшас уравнений» опиемващая поведение контура стабилизации в уехеповивмецея решало;

т. составлена система разасстних уравнений» одасыва.оцак поведение контура стабилизация в отклонениях от решила синхронизации с учетом uo:.:enia нагрузки;

- прогедопс, оценка устойчивости контура стабилизации с пропор-ционалвппм законом регулирования к прояорцкопально-дпХ-еренцл-альнмм законов регулирования;

- из условия устойчивости вморанм параметры цифрового регулятора ;

- проведена оценка экспериментальных характеристик систеии управления с различными типами законов регулирования»,

Ссновнме полза-.зпая, предстсвллеане к защите.

1. Уатомахнческая модель вентильного электропривода, опиемваю-щая репка сиихроилзециа с учетом внемних возмуц.;ни!..

2. Архитектура вентильного двигателя с микропроцессорном управлением.

3. Рациональная структурная С/.сма вентильного электропривода с заданной пока,¡..талями к-чеогва в мароном диапазоне регулирования.

i

- . • .» ' > -

4.■ Практические рекомендации по выполнению функциональных узлов прецизионной системы управления вентильным двигателем.

Практическая ценность работы заключается в решении следующих научных и технических вопросов.

1. Разработан, изготовлен и налажен серийный Еыпуск безредукторшх электроприводов, используемых в перфузионкых блоках Ы1-02 аппаратов "Искусственная почка".

2. Разработана теория для инженерных расчетов при проектировании систем управления электроприводом с частотно-фазовым дискриминатором с учетом момента нагрузки.

3. ^зработаны микропроцессорные устройства, расширяющие функциональные возможности электропривода - микропроцессорный синтезатор частоты, к микропроцессорное корректирующее устройство, реализующее пропорционально-дифференциальный закон регулирования, позволяющее существенно снизить колебательность системы и перерегулирование.

Апробация работы. Оснйвные результаты диссертационной работы доложены и опробованы: Яа I й'З-'ей конференциях научно-учебного центра физико-химических методов'исследования (Москва, 1988, 1990); на Всесоюзных научно-технических семинарах по электромеханотронике (Ленинград, 1988, 1989, 1990) ; на 2-ой международной конференции по электроприводу (Румыния, 1988) ; на 1У'конференции по силовой электронике и управлению движением (Венгрия, 1990).

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в которых отражено основное содержание диссертации. Основное техническое решение защищено положительным решением № 4386803/28 "Инфузионный насос". Косов В.О., Саликов Л.М., йииков Е.Д. и др.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, содержит 92 стр. основного машинописного текста, 35 рис., 3 табл., 29 диаграмм. Библиографический список литературы включает в себя 91 неименований, в том числе иностранных -б наименований.

СОДЕ ИКАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе "Выбор основных функциональных узлов системы управления вентильным двигателем" рассматриваются различные типы прецизионных систем стабилизации электродвигателей. Проводится анализ цифровых систем стабилизации с использованием частотных тахо-преобразователей. Обосновывается целесообразность выбора цифровых 2-134 3

систем управления с использованием час"отних датчиков с високой разрешающей способностью с использованием частотно-фазового дискриминатора в качестве устройства сравнении. Приводится структурная система управления вентильным двигателем и описание основных функциональных узлов.

функциональная схема электропривода

Рис.1.

Электропривод содержит вентильный диигатель (ВД), индукционный датчик (Д), шполнящий функции датчика положения ротора и тахоге-Нератора, транзисторные коммутаторы двигателя и датчика (К1 и К2), их блоки управления (БУ1 и БУ2), устройстио задания частоты вращения (УЗ), смеситель частоты (СМ), частотно-фазошй дискриминатор (Ч1Д), формирователь (Ф), устройство цифровой коррекции (¿ЦК), цифро-аналоговый преобразователь (ЦДЛ), регулятор напряжения (РН). Синхронизация работа всех устройств осуществляется кварцевым генератором (КГ), Ы - момент нагрузки на валу двигателя. В качестве датчика положения ротора испольяуется универсальный частотный датчик на основе бесконтактного сельсина, виполнявдий функции как датчика положения ритора, так и тахопреобразователл. Выходная частота с датчика используется для формирования управления коммутатором дриглтеля и для формирования закона управления двигателем в контуре обратной связи. Б качестве устройства сравнения частоты управления и частоп» обратной сияви используется нелинейный импульсной элемент

- частотно-фазовый дискриминатор, работающий в режимах частотного сравнения, когда частота управления не равна частоте обратной связи, и в режиме фазовой стабилизации, когда частота обратной связи равна частоте управления. .3 этом режиме 4>Д формирует сигнал, пропорциональный фазовому рассогласованию этих двух частот.

Для формирования частоты управления служит .устройство задания скорости, представляющее устройство синтезации частоты. Б качестве устройства задания в описываемой системе управления используется микропроцессорный преобразователь код-частота, формирующий частоты управления.

Рассматривая систему управления электроприводом, работающую в режиме переменной нагрузки, для улучшения качества переходных процессов используется микропроцессорное корректирующее устройство, реализующее функции ПД регулятора.

В работе рассмотрены три режима работы системы управления электроприводом. Режим разгона, когда частота управления меньше частоты обратной связи ( fynp ), режим торможения, когдп

jос ^ /упр ' и Режим Фазовой стабилизации, когда j0c=fynp В ражиме разгона ЧФД формирует сигнал, соответствующий логической I, при этом максимальное напряжение с источника питания подается d обмотки двигателя, и двигатель разгоняется до скорости, при которой jупр= f ос » и двигатель переходит в режим фазовой стабилизации, когда |ос=/упр » ПРИ Формировании управляющей частоты с устройства задания скорости J- y-np^f oe » частотно-фазовый дискриминатор формирует выходной сигнал нулевого уровня и в обмотки двигателя подается 0 напряжение, и двигатель тормозится. В режиме • фазовой стабилизации Ч5Щ формирует сигнал, пропорциональный фазовому рассогласованию и f00 , и напряжение, пропорциональное этому фазовому рассогласованию, подается в обмотки двигателя.

Во второй главе "Математическая модель системы стабилизации ■ вентильного двигателя с частотно-фазовым дискриминатором" составлена система нелинейных разностных уравнений, описывающих поведение дискретной системы управления в режиме фазовой стабилизации

f

ПУ

* ■» с о 2

пг pru

м а 2Z С c?/si)(eSi ^Т. е нсг ) - и,,. TJ С с .yso т+

£ , ..... ^

( ¿ « I, 2, 3 ...гп )

где - -фазовая координата системы; U^ - управляющее воз-

действие ; М а - возмущающее воздействие ; Т - период дискретизации ; - фазовое рассогласование ^Упр и joc ; S^ -COrvstKO-рень знаменателя передаточной функции системы управления; С^ , С' -коэффициенты простых множителей передаточных функций по управляющему и возмущающему воздействию; - несущая частота тахопреобра-зователя ; Р, - число пар полюсов тахопреобразователя ; А, - номер периода дискретизации. На основании • *

Для установившегося режима, полагая, что X0fl=- XofvMс Х0 ;

система нелинейных разностных уравнений (I) записывается следующим г образом

, «. S.T. (l-f)TSv t

xs+t, ш ^V tatf

На основании системы разностных уравнений (2) для установившегося режима подучены зависимости иа= ^ (?•) при Ivl ^const (рис.2).

• Проведя линеаризацию нелинейных разностных уравнений системы (I), получаем систему разностных уравнений, описывающую процессы

9 дискретном контуре стабилизации в отклонениях от режима синхронизации

и^-Сгтд

дх^ ил с Тл ; чс с/50(ечт- е^Мя*

пъ Ч^Т I ' * ^

I [ Е^О-^Г - 2 С^т] и^[2((сг/50-со6(?И)Т] ма+ '

5-*Т' з Т 25'Т ^

+}ор?}2 [(^^е^Г ' ^/ЗДМа]-Млс: лГ а-т д хвл-1((«/50(е5^+°-)*

т * л т

* д*и+ [И^Ш^с0(}ОЭДх «(е^^-е5^"4'1)] йМа.И

Используя метод пространства состояния, система (3) мпхсым-ется в векторно-ыатричной форме

где УЛ - вектор состояния ; А - матрица систва» | - яек»

тор управления.

Для выражения (4) составляется характеристичною« уравнение вида

112- А | =0 (5), где X - единичная матрица; переходя к V/ преобразованию, используя подстановку получим

выражение (5) в следующем виде

|1-А + УУ(1+А)| = 0 ' (6)

На основании (6) подучим уравнение (7)

со+с^+с^2+...ст+^т+г=0 (?)

На основании критерия Пурвица условия устойчивости для характеристического уравнения (7) записываются следующим образом

С, 0о

д,= С(>о; » О С3 С2 >0; д3=

У . Дт+г= Ст+2' Ат-Н ) 0

С, Се 0 С3 С2 С, С5 С,ц С5

> 0 (8)

Рассматривая реальный контур стабилизации, проведено моделирование на ЭВМ, в результате которого определены области устойчивости системы.

Используя аналсг критерия Найквиста, исследованы на устойчивость дискретные системы управления с пропорциональным законом регулирования и с ПД регулятором. Исследования проводились с использованием ЭШ. Результаты приведены на рис.3.

Третья глава "Функциональные узлы электропривода на базе микро-процеесорной техники" посвящена анализу микропроцессорных средств, выпускаемых в нашей стране и за рубежом. Особенности применения микропроцессорной техники в дискретных системах управления. Описаны микропроцессорный преобразователь код-частота и код-аналог, выполняющий функцию П-Д регулятора, построенные на базе однокристальных микро-ЭВМ К1816БЕ035. Описаны алгоритмы, реализуемые этими микропроцессорными устройствами. Описываемый преобразователь код-частота используется в качестве частотного задатчика скорости и позволяет

реализовывать 255 градаций частоты, кгщдой из которых соответствует определенная частота вращения двигателя. Показано как, используя программные задержки, можно расширить диапазон формируемых частот в сторону уменьшения.

В главе описано корректирующее устройство, реализующее функции П-Д регулятора, описываемое следующим выражением

(9)

где - код фазового рассогласования частоты управления и час-

тоты обратной связи в (г -ый период квантования ; Фц-! ~ К°Д фазового рассогласования частоты управления и частоты обратной связи в гг-ой период квантования; Кус- коэффициент усиления ксрректирующего устройства; К кор - коэффициент коррекции.

Описаны схемные решения корректирующих устройств на базе однокристальных микро-ЭВМ К1816 и секционных процессоров КР180ЧЗС2. Приведены рекомендации по использованию соответствующих схемных ре- I шений для различных параметров систем управления.

Четвертая глава "Исследование переходных процессов системы управления электроприводом" посвящена описанию объекта исследова- ■ ния - дискретной системы управления безредухторного электропривода на базе вентильного двигателя ДБМ-120, используемого в серийном роликовом насосе перфузионного блока БП-02 аппаратов "Искусственная почка".

В процессе экспериментальных исследований получены эпюры переходных процессов системы управления с пропорциональным и пропорционально-дифференциальным законом регулирования, на основании которых проведена оценка перерегулирования и колебательности системы. Влияние коэффициента коррекции на колебательность и перерегулирование системы управления для пропорционального дифференциального за-

ОСНОВНЫЕ гЛЪОДи!

1. Создана унифицированная архитектура вД.с использование ей микропроцессорной схемы управления, инвариантная по отноио-нию к конструктивным особенностям синхронной маиини и датчика на базе фазовращателя.

2. разраоотанная унифицированная программа работ микропроцессорного блока управления ВД позволяет сопрягать различ-цив типы синхронных малин и датчиков положения на базе фазовращателей при заданном значении несуцеИ частоты работы датчика.

3. Разработанная математическая модель позволяет наиболее адекватно отразить особенности частотно-уазового контура стабилизации в структуре электропривода, а так ьев учеегь управляющее и возмущающее воздействие при выборе коэффициента усиления, киаффмиг.ента коррекции и частоты дискретизации раьоти системы управления при заданно:-: диапазоне регулирования, точности стабилизации мгновенной частот вращения, пределах изменения момента нагрузки ч параметрах электрической машины.

Предложенная математическая модель является универсальной для люоых алекгроприидов содержащих частотно-фазовый контур стабилизации частоты враценин, в которых используется пи-бая электрическая машша описание которой справедливо передаточной аункциеИ.

5. Исследования системы управления с микропроцессорным корректирующим устройством реализующим алгоритм Д-Д регулятора показали, что коэффициент коррекции для определенного диапазона частоты вращения, при заданном показателе точности, имеет явно пыразенный экстремум.•

6. Разработанные алгоритмы работы микропроцессорного корректирующего устройства и цифрового задатчика скорости позволяют реализовивать их на любых микропроцессорных средствах, да::;а

о относительно невысокой скоростью обраоотки информации, обеспечивая высокое быстродействие работы системы управления с периодом дискретизации работы системы управления порядка 0,6 икс.

, 7. Разработанные унифицированные функциональные узлы на баев Ш1 техннли позволяют повысить технологичность электропривода 8а счет сокращения элементов дискретной логики в системе Зправаенкп в среднем в 3 ♦ 4 раза.

6. Вспог.ьзоъвнаа разработанного м/.к; спроиеосорнэгс кэррок-.таруодго устройства ь- часгогно-^ьгоьо- коигуро сгил-лг-зичии 10

позволило повысить точность стабилизации мгновенной частот зрсцениг. з 3 * 5 раз но сравнению со схемами включающими перестраиваемую акалогозую коррекцию в рассматриваемом диапазоне регулировании.

9. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов по выбору параметров системы управления показали хорошее совпадение, расхождения менее 10^.

Оснознжи положения диссертации опубликованы в работах:

1. " Унпвсрсалышл датчик для дасарвзко-фазови:: састеи стабилизации скороигп - Я международная конференция по электроприводу - румын;:.': - 1УЕ8. (Саликов Л Л., Рыжиков Е.Д.).

2." Цифровые синтезаторы частот на основе разовой автоподсг- ' роПки частот - 1У конференция по силовоГ, электронике и управления движение,.; - Венгрия - 1590. (Саликов Л..«.» Рыжиков Е.Д.).

3. * Бесконтактны!; моментны;! привод с цифровым управлением -Тезисы доклада Всесоюзного научно-техн.семинара по "злектромехано-троннке - Ленинград - 1989 - С.176-177. (Киселев Б.Л., Рыжиков Е.Д.).

* Безредукюриыл привод пер;:у знойного насоса - Тезисы доклада Всесоюзного научно-техн.семинара по электромехаиотроннке -Ленинград - 1989 - С-. 174-175. (Киселев Б.Л., ХаГ;тлнн А.Я., Саликов Л.'Л., Рыжнкоз Е.Д.).

5. х Электромеханотр-нные преобразователи для экстракорпоральной перфузии - Материалы Всесоюзного научно-техн.семинара по элекгромеханотронике - Ленинград - 1990 - С.9-12. (Киселев Б.Л., ХаГ.тлин А.П., Саликов Л .и., Рыгиков Е.Д.).

6. й Исследование переходных процессов бесконтактного электропривода перфузионного насоса / Материала Всесоюзного научно-техн.семинара по элекгромеханотронике - Ленинград - 1990 - С. 12-17. (Киселев Б.Л., Рыжиков Е •Д., Мнацаканов А.Р.).

7. Микропроцессорная система широкодиапазонного быстродействующего электропривода - Труды I конференции научно-учебного центра физико-химических методов исследования - 1988 - 91 с.

8. Адаптивная система управления вентильным двигателей - Труди Ц конференции научно-учебного центра физико-химических методов исследования - 1990.

9. * 0 задаче синтеза по заданному расположению полисов с по-мо'дьв обратно.; связи по состоянию - Труды С кон;ерендал научно-учебного центра флхико-хнмлческих методов исследования - Т/ЗЗ. (Полоз А.::.).___

и Работа выполнена I соавторстве. II

1С. к Положительное реление й 436С303/1Р. Ин^узпошшй насос. Обликов Л.Ц., Рыииков Е.Д. я др.

Тематический план 1392 г., Й 179

Подписано к печати 3.03.92. Формат 60x30/16. Ротапринткая Печать. Усл.печ.л. 0Л75. Уч.-изд.л. 0,6Ь. Усл.кр.-отт. 0.Б75, Тирах Юи экз. Заказ 134. Бесплатно Издательство Российского университета друхбы народов

гсгм, "гсууэ,

1::п0П50?::я издательства ¿УдЬ 117923, ГСЛИ, Москва, ул.Орджоникидзе,3