автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Прямое микропроцессорное управление импульсным преобразователем в системах точного позиционирования

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

> . На правах рукопису

ВОЙТЕНКО Володимир Павлович

' УДК 681.527.72

ПРЯМЕ МІКРОПРОЦЕСОРНЕ КЕРУВАННЯ ІМПУЛЬСНИМ ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ В СИСТЕМАХ ТОЧНОГО ПОЗИЦІЮВАННЯ

Спеціальність: 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня • кандидата технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією е рукопис.

Роботу виконано на кафедрі промислової електроніки Чернігівського державного технологічного університету Міністерства освіти України, м. Чернігів

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Денисов Олександр Іванович,

Чернігівський державний технологічний університет, ректор

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, доцент

Тереиденко Тетяна Олександрівна, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри промислової електроніки,

- кандидат технічних наук

Войтех Володимир Олександрович, Інститут електродинаміки НАН України, науковий співробітник відділу №8.

Провідна установа - Харківський державний політехнічний університет,

кафедра автоматизованих електромеханічних систем, Міністерство освіти України.

Захист дисертації відбудеться “ сО “ ^ '__________ 2000 р. о' ' годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за

адресою: 03680, м Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

77 О ^

Автореферат розісланий ^ ?__________ 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

В С.Федій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Впровадження в народне господарство новітніх технологій, що базуються на передових наукових та технічних досягненнях і пов’язана з цим комп’ютеризація практично всіх сфер людської діяльності залучає до взаємодії з персональним комп’ютером величезну кількість користувачів - фахівців в різноманітних галузях. Концепція розробки високоякісного людино-машинного інтерфейсу, зручного будь-якій людині-оператору ЕОМ, а також створення баз даних та систем підтримки прийняття рішень неможливі без пристроїв енергонезалежної зовнішньої пам'яті ЕОМ підвищеної ємності. Подібні пристрої пройшли тривалий еволюційний цикл, і в даний час набули широкого поширення накопичувачі на магнітних та оптичних дисках. Доступ до інформації в дисковому накопичувачі провадиться шляхом лінійного механічного переміщення (пози-ціювання) активного елемента (магнітної або оптичної голівки) до потрібного фрагменту поверхні обертового диска. Внаслідок високої щільності запису (що дозволяє зменшити габарити пристрою і заощадити носій), а також швидкого доступу до доріжок запису (що підвищує пропускну спроможність інформаційного каналу) у дискових накопичувачах мають місце жорсткі вимоги щодо точності і швидкодії позиціювання.

Актуальність теми дисертації підтверджується необхідністю створення науково-обгрунтованої інженерної методики проектування прецизійних систем лінійного переміщення, що базуються на прямому мікропроцесорному керуванні широтно-імпульсним перетворювачем, який навантажений на лінійний електродвигун постійного струму (ЛД). Відомі роботи за цією тематикою, в основному, присвячені рішенню окремих питань аналізу і проектування прецизійних систем і не враховують зростаючі вимоги до їхніх якісних показників і можливості сучасної елементної бази, а також останні досягнення теорії керування силовими перетворювачами засобами мікропроцесорної техніки. Мова йде про точність позиціювання, що сягає одиниці мікрометрів при часі позиціювання, який дорівнює десяткам мілісекунд. Актуальним є і вирішення питань енергетичної ефективності пристроїв силової електроніки, оскільки вони помітно впливають на техніко-економічні показники систем, матеріалоємність і енергоємність технологій, у яких вони використовуються. Виконання цих вимог у комплексі можливе за рахунок застосування відповідних алгоритмів керування, що ефективно реалізуються за допомогою засобів мікропроцесорної техніки. Сфера застосування систем прецизійного лінійного переміщення - комп'ютерна периферія і енер-гонезалежна пам'ять (накопичувачі на жорстких магнітних дисках), автоматичні сканери, плотери, робототехніка, вимірювальна і медична техніка, мікроелектроніка, астрофізика та ін. Промислове освоєння подібних систем дозволить розмістити в Україні високотехнологічні виробництва в зазначених галузях, що, окрім рішення суто економічних задач (зростання виробництва і підвищення рівня життя населення), дасть можливість пом’якшити гостроту таких соціальних проблем, як

зниження зайнятості висококваліфікованої робочої сили, еміграція інженерно-технічних працівників. Велике значення мас також посилення технологічної незалежності України від закордонних постачальників, особливо актуальне для державних структур, вихід на передові, сприятливі позиції в міжнародному розподілі праці, тобто - наукомісткі виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами. Основні теоретичні і практичні результати, наведені в дисертації, отримано в ході виконання робіт відповідно до координаційних планів НАН України на 1991-1995 р. (комплексна програма “Наукові основи електроенергетики”, п. 1.9; 2.2; 3.3), а також відповідно до державної науково-технічної програми по пріоритетних напрямках науки і техніки 1995-2000 р., п. 04-00,04-11 комплексного проекту Держкомітету України з питань науки, техніки і промислової політики (“Високоефективні енергозберігаючі електротехнічні та енерготехнологічні системи”).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка алгоритмів і апаратна реалізація прямого мікропроцесорного керування лінійним двигуном для пристроїв точного позиціювання на основі аналізу динамічних процесів у системі широтно-імпульсний перетворювач - об’єкт керування. Виходячи з поставленої мета в роботі вирішувались наступні задачі:

- систематизація і формулювання основних характеристик, технічних параметрів і вимог, висунутих до пристроїв позиціювання, що застосовуються в блоках зовнішньої пам'яті та периферії ЕОМ, а також дослідження перспективних методів побудови структурних вузлів системи;

- аналіз архітектури, схемотехнічних рішень і параметрів сучасної елементної бази цифрових систем керування та імпульсних перетворювачів;

- дослідження та доробка відомих моделей лінійних електродвигунів, а також розробка чисельного уявлення та фізичної моделі цифрового датчика переміщення;

- аналіз чинників, що впливають на якість позиціювання, синтез цифрового регулятора та вибір параметрів, що забезпечують задану якість;

- розробка та дослідження алгоритмів і програм роботи системи позиціювання, що базуються на прямому мікропроцесорному керуванні лінійним двигуном;

- виконання моделювання на фізичному рівні й експериментальна перевірка результатів теоретичних досліджень.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- дістала подальший розвиток методика синтезу цифрового регулятора системи позиціювання з урахуванням специфіки динамічних процесів у комлексі перетворювач - лінійний двигун - мікропроцесорний цифровий регулятор;

- вперше розроблено практичні рекомендації щодо вибору тривалості кроку дискретизації та скорочення часу обчислення в системі позиціювання на однокристальному мікроконтролері;

- вперше науково обгрунтовано доцільність застосування методів часово- і широтно-

з

імпульсної модуляції для керування лінійним двигуном у сервосистемі позиціювання;

- запропоновано оригінальну методику врахування впливу дестабілізуючих чинників на якість позиціювання, яка, на відміну від існуючих методик, враховує силу сухого тертя;

- вперше запропоновано та досліджено застосування стрибкоподібно-лінійних імпульсів для керування лінійним двигуном в цифровій системі позиціювання;

- розроблено нову структуру алгоритму і програму прямого мікропроцесорного керування системи позиціювання для серворайтера, що дозволяє підвищити точність та зменшити час позиціювання;

- розроблено, виготовлено і впроваджено в практику нові пристрої налагодження програмного забезпечення систем на базі однокристальних мікроконтролерів, а також супутнє програмне забезпечення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені автором на основі теоретичних та експериментальних досліджень методики дали можливість спроектувати систему позиціювання з високими показниками. Отримані в роботі результати дозволяють:

- підвищити точність, масогабаритні, енергетичні і часові характеристики системи позиціювання;

- прискорити процес проектування прецизійних систем позиціювання за допомогою застосування розробленого відлагоджувального комплексу.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень використані в розробках НДІ електромеханічних приладів (м. Київ) у вигляді сервосистеми позиціювання в складі комплексу для розмітки жорстких магнітних дисків. Створений експериментальний зразок передано на це підприємство для підготовки до виробництва. Крім того, методику розробки відлагоджувальних пристроїв, мікропроцесорних регуляторів, програмне забезпечення, а також експериментальний стенд використано в навчальному процесі в Чернігівському державному технологічному університеті. Основні результати дисертаційної роботи доцільно використовувати в наукових установах та навчальних закладах, діяльність яких пов’язана з розробкою та використанням систем прецизійного електроприводу з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії та цифровими системами управління, а також підготовкою фахівців з електронних спеціальностей.

Особистий внесок здобувана. Наукові положення та прикладні результати, що містяться в дисертації, отримані здобувачем самостійно. Роботи [3,4] написані особисто. У роботах, що опубліковані в співавторстві, особисто автору належать: у роботі [1] - визначення передатної функції цифрового регулятора, аналіз дестабілізуючих чинників, висновки; у роботі [2] - аналіз структури системи, визначення структури і коефіцієнтів цифрового регулятора; у роботі [5] - розробка апаратного, програмного забезпечення і методики налагодження системи керування вентильними перетворювачами; у роботі [6] - розробка функціональної схеми системи позиціювання, одержання

аналітичних залежностей; у роботі [7] - розробка функціональної схеми та програми роботи системи автоматичного керування, моделювання двигуна, експериментальні дослідження; у роботі [8]

- розробка структури системи електроживлення; у роботах [9, 10] - розробка принципових схем пристроїв, аналіз їхньої роботи, виявлення аналогів; у роботі [11] - розробка принципової схеми комутатора й експериментальна перевірка.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на семінарах Наукової ради НАН України по комплексній проблемі "Наукові основи електроенергетики", 1993-1999 р.; на 11 і 13 науково-технічних конференціях молодих вчених і спеціалістів НПО "Маяк" (м. Київ, 1988 та 1990 р.); на Всерадянській науково-технічній конференції "Сучасні методи і засоби швидкодіючого перетворення режимних параметрів енергосистем" (м. Челябінськ, 1990 р.); на 5 Всерадянській науково-технічній конференції з перетворювальної техніки (м. Київ, 1991 р.); на 2 науково-технічній конференції з електромехано-троніки (м. Санкт-Петербург, 1991 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції з проблем перетворення електроенергії (м. Москва, 1993 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції «Силова електроніка і енергоефективність» (м. Алушта, 1999 р.).

Публікації результатів наукових досліджень. Основні результати дисертації опубліковано в 11 роботах, із котрих статей - 5, у тому числі, - 3 статті у фахових наукових виданнях, тез доповідей - 3, авторських свідоцтв - 3.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 194 сторінки, у тому числі на 49 сторінках розміщено 10 малюнків, список використаних джерел із 114 найменувань та 7 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й основні задачі роботи, наведено отримані наукові результати, зазначено їхню наукову новизну і практичне значення, подано інформацію про публікації по темі дисертації, апробації результатів і особистий внесок автора. Відзначено, що полегшення для людини умов взаємодії з комп'ютером ставить задачу розробки програмного забезпечення, що потребує великої інформаційної ємності зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв (ЗЗП). Найбільш надійними ЗЗП великої ємності є накопичувані з незйомним інформаційним модулем типу "вінчестер". Один із методів збільшення інформаційної ємності накопи-чувачів на магнітних дисках (НМД) - це підвищення поперечної щільності запису за рахунок зменшення ширини доріжки запису, а також кроку між доріжками, тобто - за рахунок підвищення точності позиціювання. Швидке і точне переміщення каретки з магнітними голівками по циліндрах

можливе при використанні систем позиціювання, що містять сервоповерхню, або інші типи датчиків зворотного зв’язку по положенню каретки. З метою організації масового виробництва НМД, що містять сервоповерхню, потрібне створення високоточних інструментальних систем, які забезпечують розмітку сервоповерхонь - серворайтерів. В даний час відсутній систематизований науковий підхід до проектування прецизійних систем позиціювання, що грунтується як на відомих досягненнях в галузі теорії керування, автоматизованого електропривода, перетворювальної техніки, так і на можливостях сучасної елементної бази. Подано узагальнену схему системи позиціювання і коротко схарактеризовано складові ланки, перераховано основні дестабілізуючі чинники. Підкреслено, що сфера застосування прецизійних систем позиціювання не обмежується НМД, проте з метою наочності аналізу в роботі зроблено акцент на конкретну область використання, для якої характерні найвищі вимоги до якості позиціювання.

У першому розділі розглянуто концепцію побудови системи прямого мікропроцесорного керування. Підкреслено, що сучасна система керування практично для будь-якого класу задач неможлива без використання цифрових методів керування і засобів мікропроцесорної техніки. Перевага цифрових методів - принципова можливість виключення інструментальної похибки при обчисленнях і оперативна зміна алгоритмів опрацювання інформації. Проте більшість реальних об'єктів керування та регульованих параметрів, у тому числі, - і більшість електродвигунів, - аналогові об’єкти, що створює специфічні проблеми взаємодії з ними цифрових систем керування. Використання паралельно працюючих (взаємодіючих) програмно-керованих цифрових, аналогових і цифроаналогових пристроїв опрацювання даних дозволяє підвищувати техніко-економічні показники систем керування, а в ряді випадків - домогтися такої точності керування, яка недосяжна для аналогових систем. Поставлені в дисертації задачі забезпечення точності і масогабаритних характеристик системи позиціювання можна вирішити лише на основі цифрових методів обробки інформації та керування.

В роботі доведено доцільність побудови прецизійної системи позиціювання за багатоканальним принципом: для дискового накопичувача - це система пошуку інформації (доріжки) та система спостереження за доріжкою. В цьому випадку можна використовувати один датчик переміщення для визначення швидкості і положення активного елемента з наступним обчисленням таких параметрів руху, як прискорення та ривок. Встановлено пріоритет використання оптичного муарового датчика, імпульсний вихідний сигнал якого добре адаптований до особливостей цифрової системи позиціювання порівняно з іншими типами датчиків переміщення.

На основі аналізу структур цифрових систем керування встановлено, що найкращим варіантом реалізації пристрою керування прецизійним лінійним переміщенням із високою швидкістю є автономна система прямого цифрового керування лінійним двигуном, в якій відсутні проміжні ланки аналого-цифрового та цифро-аналогового перетворення, та найбільш ефективно виявляють-

ся можливості сучасних універсальних мікроконтролерів. Огляд силової елементної бази показав, що в розроблюваній системі позиціювання реверсивний широтно-імпульсний перетворювач (РШІП) доцільно виконати на польових транзисторах, що включені по мостовій схемі.

Внесено пропозиції по уточненню термінології мікропроцесорного керування, що дозволяють схарактеризувати спосіб вирішення часткової задачі алгоритму роботи системи. Дано оцінку цих способів із погляду прямого мікропроцесорного керування комплексом РШІП - ЛД і відзначено, що в найбільшій мірі варто спиратися на програмно-апаратну реалізацію функцій керування. Апаратну реалізацію відрізняють підвищені схемні й енергетичні витрати, а для чисто програмного вирішення задач керування характерна низька швидкодія. Апаратно-програмний спосіб може не забезпечити вимоги щодо масогабаритних характеристик.

Другий розділ присвячено аналізу особливостей лінійного двигуна постійного струму як об'єкта керування. Розглянуто різноманітні методи формування траєкторії лінійного переміщення, а також специфічні вимоги до двигунів, висунуті системами позиціювання для комп'ютерної периферії. Встановлено, що для підвищення інформаційної ємності серворайтера необхідна розробка замкнутої по положенню магнітних голівок стежачої системи на основі лінійного двигуна електромагнітного типу постійного струму, постійні магніти якого містять інтерметалеві сполуки кобальту з рідкоземельними елементами.

Показано, що координату переміщення рухомого елемента лінійного двигуна в першому наближенні можна описати диференціальним рівнянням третього порядку. Лінійний двигун являє собою ланку третього порядку, для якої характерний астатизм по координаті позиціювання (1).

цгх -Х(р)_]_'Цгу ___________/Се-----------------Р------ (1)

дв и(р) Р т р-І[т-Те-р2+Тт-р+1) р (р+аХр+ІЇ

де С' - коефіцієнт протиЕРС;

Т„, Т,- електромеханічна й електрична постійні часу;

а, Р - корені характеристичного рівняння.

Перехідна характеристика координати носить аперіодичний характер. Вплив сухого тертя може бути врахований за допомогою уповільненій, що пропорційне силі тертя.

Розроблено схему моделювання ЛД у часовій області, яка може бути використана для аналізу замкненої системи позиціювання методом простору станів (рис. 1).

На основі схеми (рис. 1) розроблено програму розрахунку перехідних процесів прискорення, швидкості і положення каретки, струму обмоток, протиЕРС при різноманітних видах напруги живлення ЛД. Отримані рівняння вирішено на ЕОМ з кроком дискретизації Но «Те.

Рис. 1. Схема моделювання ЛД

У роїлілі 3 визначено структуру цифрової системи позиціювання і спосіб керування об’єктом регулювання. На рис. 2 подано структурну схему цифрової системи позиціювання (ЦСП), що містить ідеальний імпульсний елемент з періодом перемикання А, цифровий регулятор із передат-

Рис. 2. Структурна схема ЦСП

ною функцією 0(і), фіксатор, а також об'єкт регулювання - ЛД із передатною функцією \У(р).

Прийнято такі припущення: керований процес лінійний, описується трьома змінними стану х, V, у (рис. 1); початкові умови нульові; сигнал завдання необхідної координати хо являє собою східчасту функцію виду:

¡(0=хок і(і). . (2)

Цифровий регулятор необхідний для забезпечення кінцевого часу перехідного процесу без перерегулювання. У процесі синтезу передатної функції цифрового регулятора (3) використано метод перемінного коефіцієнта підсилення, запропонований Юліусом Ту.

К„г(0 + )+К,г(И+)г-1 +К?г(2И*)г-2 __ 1 + 6,г~' +67г~2

0 1 + а^' +а2г~2

є(0 + )+є(Л+)г +є(2/> + )г'

(3)

де

є(Л+) - 1

а, = ——- = 1--------

д2=£(2/о=,__і_

х0 сфА

(1-Л)(1-В) арА + р 1-аА+-

р-а

сфА арл(р-а)

' Р '

В+а

1-РА+-

Р -а

А-(а + $)АВ

1

Коефіцієнти передатної функції цифрового регулятора можуть бути визначені з урахуванням параметрів ЛД та кроку дискретизації А. Зменшення кроку дискретизації А скорочує повний час регулювання ТР=ЗИ. Проте, відповідно до (3), одночасно з цим зростають коефіцієнти підсилення регулятора Ко. К/, Кг, що призводить до зростання напруги, яка прикладається до ЛД на відповідних кроках. При достатньо великих кроках дискретизації А амплітуда впливу на ЛД максимальна на першому кроку дискретизації. Для забезпечення надійної роботи ЛД необхідно, щоб напруга на обмотках не перевищувала максимально допустимої величини Е, що реалізується при ви-

конанні умови:

и(О') <, Е або К0 і Е/хц- (4)

З (3) отримуємо

• (5)

Графік функції фґА) (рис. 3) за заданою координатою позиціювання хо дозволяє знайти тривалість кроку дискретизації А, при якій забезпечуються необхідні рівні напруги, що приклада-

Рис. 3. Залежність координати позиціювання від тривалості кроку дискретизації

ються до ЛД.

Результати моделювання процесу позиціювання показують, що процес встановлення координати каретки х(і) закінчується практично за два такти А без перерегулювання. Для спрощення програмної й апаратурної реалізації прямого мікропроцесорного керування без помітного зниження точності ЛД запропоновано подавати ланкою другого порядку. Для цього випадку отримано спрощену передатну функцію цифрового регулятора, вихідний сигнал якого:

Цей вираз дозволяє скласти алгоритм роботи ЦСЛ, а також програму для мікропроцесора й зобразити регулятор у вигляді рекурсивного фільтра (рис. 4).

Рис. 4. Спрощена схема ЦСП

Розглянуто різноманітні методи регулювання напруги, що подасться на ЛД, - амплітудноімпульсну, комбіновану, часово- і широтно-імпульсну модуляцію. Розроблено методику вибору параметрів регулятора і запропоновано алгоритм розрахунку відносного виграшу за часом установлення системи з нерівномірним кроком порівняно з AIM. Встановлено, що, зважаючи на енергетичну ефективність, регулювання напруги живлення ЛД у системі з однокристальним мікроконт-ролером доцільно здійснювати за допомогою часово- або широтно-імпульсної модуляції. Розроблено практичні рекомендації щодо вибору періоду роботи реверсивного широтно-імпульсного перетворювача. На основі порівняльного аналізу AIM - ШІМ та за результатами чисельного моделювання показано ефективність лінійної ШІМ у забезпеченні точності позиціювання. Розроблено методику порівняльного аналізу AIM - ШІМ на основі чисельного дослідження реакції ЛД на відповідні позиціонуючі впливи і показано ефективність лінійної ШІМ у забезпеченні точності позиціювання, що особливо важливо при синтезі алгоритмів роботи цифрового регулятора з урахуванням характеру збурюючих впливів.

У розділі 4 для системи з AIM напруги живлення розроблено загальну методику розрахунку параметрів координати позиціювання (7), що необхідно для практичної реалізації поставленої в роботі задачі.

xA=A_.hLe-^\ElS_.h<7>

2 (ЗСе а2р >

де Е/ - амплітуда впливу на першому кроку дискретизації;

ho- тривалість кроку дискретизації.

Для системи з ШІМ напруги живлення, як істотно нелінійної, аналогічні результати отримано на основі чисельних розрахунків. Для цього випадку зображення координати позиціювання на другому кроку дискретизації:

Х’2{р) = и’2(р)-Щр) =

Ер(1-е~рї,Т)і1-е-т/,т) Ер(1-е~П2ІН\-е-трТ)-е-ртГ (8) р\р+а)(1-е-'г)Р р2(р+ аК1-е-'г)Р ’

де Е - амплітуда впливу на обох кроках дискретизації; у і і у2 - шпаруватості ШІМ-сигналів на обох кроках дискретизації.

Розроблено рекомендації по урахуванню сухого тертя, що дозволяє знизити помилку пози-ціювання, пов'язану з затримкою зміни механічних координат на відповідну величину. Інтервал наростання тяги двигуна до величини сили тертя спокою, що визначає затримку зрушення рухомої частини при подачі на обмотку керуючого імпульсу напруги (момент зрушення рухомої частини), може бути обчислений згідно з формулою (9).

де Ь і Я - індуктивність і активний опір кола ЛД;

к - коефіцієнт сили ЛД; •

Р - сила сухого тертя;

Е - амплітуда імпульсу напруги.

Показано, що недостатня швидкість обчислень кроку дискретизації і висока дискретність квантування тривалості імпульсів у широко застосовуваних мікроконтролерах визначає необхідність пошуку простих законів залежності керуючих впливів у функції від координати позиціюван-ня. Дано рекомендації з підвищення швидкодії мікропроцесорних систем позиціювання, проаналізовано виникаючі похибки і сформульовано вимоги до системи слідкування.

Встановлено, що на точність системи позиціювання у значній мірі впливають конструктивні параметри двигуна. Час позиціювання можна знизити за рахунок спрощення регулюючого впливу шляхом відмови від третього кроку і прискорення процесу його розрахунку запропонованими способами. Це ефективно реалізується в замкненій системі з широкою зоною захоплення.

Встановлено, що керування ЛД найбільш ефективне, якщо в якості напруги живлення обмоток використовувати стрибкоподібно-лінійні імпульси (СЛІ). Виконано аналіз похибок, що виникають у реальному ЛД, для котрого неможливе формування ідеальних прямокутних імпульсів струму обмоток. На рис. 5 подано діаграми перехідних процесів, які розраховані для того випадку, коли цифровий регулятор забезпечує подачу стрибкоподібно-лінійної напруги на обмотки ЛД, який розглядається ланкою третього порядку (тобто з урахуванням індуктивності обмоток). При програмно-апаратній реалізації за допомогою мікроконтролера можлива компенсація нелінійності закону зміїш зусилля, що розвиває ЛД. При цьому зростає точність і швидкість позиціювання шляхом формування імпульсного прискорення рухомої частини. Стрибкоподібно-лінійні імпульси в часовій області можна подати у вигляді:

(9)

и(і)=Е,+ф Е,1-2 !(іМ ІЕ, +ф Е,(Ш)]+І(і-ка-кі)- [Е, +ф

(10)

1,мс

Рис. 5. Процес позиціювапня при подачі стрибкоподібно-лінійної напруги на обмотки ЛД (модель третього порядку)

Тоді перехідний процес зміни координати каретки: .2

1-і-Р 2 р

((-ИйУ 1-к0 | 1-е

(П)

+ і(/-й0-Л,)

2

Проаналізовано помилку встановлення і зроблено висновок про те, що застосування лінійно-стрибкоподібної напруги живлення дозволяє спростити процедуру аналізу системи та алгоритм керування при позиціюванні на «великі» відстані у випадку використання струмової моделі. Розглянуто характерні особливості керування ЛД за допомогою стрибкоподібно-лінійних імпульсів і запропоновано способи їхньої реалізації.

Розділ 5 присвячено практичній реалізації прецизійної системи позиціювання з прямим мікропроцесорним керуванням комплексом РШІП - ЛД на базі універсального однокристального мікроконтролера (ОМК).

Результати аналітичних досліджень, що отримані у попередніх розділах, справедливі за таких припущень:

1) модель ЛД не враховує нелінійну залежність зусилля, що розвивається, від координати позиціювання і покладається лінійною;

2) точно визначені і незмінні параметри ЛД;

3) сила сухого тертя постійна, грузле тертя (демпфіювання), можливість механічного резонансу в системі каретка - кронштейн - активний елемент (магнітні голівки) не враховуються;

4) статичні і динамічні характеристики РШІП, системи живлення, елементів узгодження із системою керування є лінійними;

5) прохідна характеристика датчика переміщення лінійна.

Внаслідок цього отримані в роботі аналітичні результати потребують експериментальної перевірки й уточнення. Для цього було спроектовано та налагоджено експериментальний стенд для дослідження систем позиціювання СРПС-96. Стенд містить реверсивний широтно-імпульсний перетворювач із схемами живлення й схемами узгодження силових ключів з ОМК, а також вузол однокристального мікроконтролера. ОМК включено за схемою роботи з зовнішньою пам'яттю програм, що особливо зручно на етапах розробки мікропроцесорних систем і налагодження їхнього програмного забезпечення. Програмну пам'ять розбито на два фізично розділених блоки: зовнішню оперативну пам'ять і зовнішню постійну пам'ять. У постійній пам'яті зберігається програма підтримки послідовного інтерфейсу 115-232, що дозволяє організувати взаємодію з джерелом інформації (персональним комп'ютером), для якого розроблено відповідне програмне забезпечення -програма “МОМГКЖ-%”.

Досягнення необхідної точності і часу позиціювання за допомогою ОМК багато в чому залежить від адекватної апаратної підтримки ііггерфейсу мікроконтролера з РШІП (ІШІП), а також -із датчиком зворотного зв'язку по положенню. Цю задачу вирішено в СРПС-96 шляхом пошуку і практичної перевірки оптимальності схемотехнічних, програмно-апаратних і програмних рішень, що реалізують функції керування вентилями РШІП. ^

Програмна частина СРПС-96 містить у собі програмне забезпечення для персонального

комп'ютера, програму-диспетчер, що розміщено резиДентно в постійній пам'яті стенду, а також сукупність прикладних програм користувача, що завантажуються в оперативну пам'ять. Унікальні відлагоджувавдіі можливості стенду дозволяють розробляти апаратне і програмне забезпечення різноманітних систем керування, заснованих на однокрисгальних мікроконтролерах родини МСБ-96 фірми ІШеІ. Більшість функцій керування реалізується програмно або програмно-апаратно за рахунок внутрішніх ресурсів ОМК. Ці функції легко можуть бути змінені шляхом завантаження відповідного програмного модуля (Ьіп-файла).

Розроблено електричні моделі комплексу ЛД - оптичний муаровий датчик переміщення (МДП), що дозволяють скоротити час і вартість розробки систем позиціювання. Запропоновано концепцію автоматизованого робочого місця для дослідження електромеханотронних систем, що відкриває широкі можливості автоматизації процесів проектування й експериментальної перевірки перспективних методів керування перетворювачами електричної енергії для електропривода з урахуванням силової елементної бази.

У ході експериментальних досліджень використано запропоновані рекомендації щодо принципів побудови прецизійних систем позиціювання із прямим мікропроцесорним керуванням. Результати теоретичних досліджень, фізичного моделювання й випробувань на експериментальному стенді дозволили виконати розробку апаратного та програмного забезпечення системи автоматичного позиціювання магнітних голівок САП-МГ, використовувану в складі комплексу для розмітки жорстких магнітних дисків (рис.6). При довжині робочого ходу 25,4 мм помилка позиціювання складає ±1,2104, а середній час позиціювання -14,2 мс.

Рис.6. Система автоматичного позиціювання магнітних голівок (САП-МГ) Розроблена САП-МГ має більш високі характеристики в порівнянні з прототипом і в значній мірі відповідає концепції прямого мікропроцесорного керування, оскільки містить мінімальну кількість зовнішніх стосовно ОМК вузлів, що підгримують функції керування перетворювачем. Встановлено можливість алгоритмічної компенсації важко враховуємих особливостей ЛД у системі зі зворотнім зв'язком по положенню при використанні запропонованих алгоритмів.

У додатках наведено техніко-економічні характеристики деяких однокрисгальних мікро-

контролерів, параметри моделі системи позиціювання, програму чисельного розрахунку перехідних процесів у ЛД, програму розрахунку відносного виграшу КІМ у порівнянні з AIM, програму розрахунку перехідних процесів у ЛД при ШІМ для моделі 3 порядку, програму “MONITOR-96” для конвертування obj-файла у виконуваний bin-файл та керування відлагоджувальним пристроєм на базі ОМК 80ХС196КХ, програму позиціювання магнітних голівок для серворайтера, акти впровадження і використання результатів дисертаційної роботи .

ВИСНОВКИ

Таким чином, представлена робота спрямована на розв’язання важливої наукової задачі встановлення алгоритмів керування імпульсним перетворювачем і розробки системи позиціювання для комп'ютерної периферії з високими техніко-економічними характеристиками. Сукупність науково-обгрунтованих теоретичних і практичних результатів має істотне значення для розвитку електротехнічних систем.

1. Аналіз стану питання показав доцільність дослідження, оскільки відсутні науково-обгрунтовані рішення, які враховують зростаючі вимоги до високоточних пристроїв позиціювання, можливості сучасної елементної бази, а також досягнення теорії керування силовими перетворювачами засобами мікропроцесорної техніки.

2. Показано, що поставлена мета досягається найбільш ефективно, якщо в якості об’єкта керування використовувати лінійний двигун постійного струму, живлення якого здійснюється від реверсивного широтно-імпульсного перетворювача, керованого мікропроцесором.

3. Застосування ЛД призвело до необхідності урахування його специфіки, що впливає на динамічні процеси в цифровій системі позиціювання. Запропоновано модель ЛД, зручну для аналізу методом змінних стану, програму розрахунку перехідних процесів, а також чисельне уявлення та фізичну модель цифрового датчика переміщення.

4. Синтезовано цифровий регулятор, для якого розроблено методику визначення кроку дискретизації та досліджено різноманітні методи регулювання напруги живлення ЛД, доведено доцільність використання часово- та широтно-імпульсної модуляції для регулювання напруги.

5. З урахуванням особливостей прямого мікропроцесорного керування лінійним двигуном вироблено рекомендації по підвищенню швидкодії цифрової системи позиціювання із збереженням заданої точності та врахуванням сили сухого тертя.

6. Зроблено практичний висновок про доцільність використання однокристальних мік-роконтролерів у контурі керування системи точного позиціювання для комп'ютерної периферії, який підтверджено в результаті експериментальних досліджень і комп'ютерного моделювання. Основними аргументами на користь цього висновку є висока точність, що досягається в результаті

використання відповідних алгоритмів керування перетворювачем, що враховують неідеальнісгь моделі ЛД, а також наявність вмонтованих програмно-керованих пристроїв підтримки інтерфейсу як із переаворнзвачем, так і з датчиком зворотного зв'язку по положенню.

7. Розроблено прецизійну систему позиціювання магнітних голівок, використовувану в складі комплексу для розмітки магнітних дисків і рекомендовану до впровадження в дослідне виробництво НДІ Електромеханічних приладів (м. Київ).

8. Теоретичні і практичні результати роботи впроваджено в навчальний процес Чернігівського державного технологічного університету на кафедрі промислової електроніки.

9. Основні результати дисертаційної роботи доцільно використовувати в вищеназваних та інших наукових установах та навчальних закладах, діяльність яких пов’язала з розробкою та використанням систем прецизійного електроприводу з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії та цифровими системами управління, а також підготовкою фахівців з електротехнічних та електронних спеціальностей.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Войтенко В.П., Сорокин А.Ю. Оценка возможности прямого микропроцессорного управления прецизионным позиционным электроприводом// Техн. електродинаміка. -Тематичний випуск: Системи керування та контролю напівпровідникових перетворювачів. - Київ, 1999. - С. 6-9.

2. Денисов О.І., Войтенко В.П. Синтез цифрового регулятора для системи позиціювання магнітних голівок// Вісник Чернігівського державного технологічного університету. Серія: Технічні науки. -1999. - №9. -С. 179-184.

3. Войтенко В.П. Вибір параметрів регулятора для системи точного лінійного переміщення// Вісник Чернігівського технологічного інституту. Машинобудування, електроніка -1996. -Jfel.-C. 53-61.

4. Войтенко В.П. Микропроцессорный контроль качества энергопроцессов в вентильном преобразователе//Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений).- 1990-№12-С. 22-26.

5. Денисов А.И., Войтенко В.П., Гордиенко В.В., Шмаров A.A., Канюка И.В. Микропроцессорная реализация систем управления вентильными преобразователями для электроприводов аппарата магнитной записи// Техника средств связи - Серия общетехническая.- 1990-№4-С. 79-92.

6. Денисов А.И., Войтенко В.П. Влияние пульсаций питающего напряжения на точность системы позиционирования. - В кн.: Проблемы преобразовательной техники// Тр. 5-й Всесоюз. конф. - Киев: Ин-т электродинамики. - 1991. -ч.4. - С. 35-37.

7. Войтенко В.П., Гордиенко В.В., Савенко A.B., Канюка И.В. Система автоматического управления линейным электроприводом// Тр. XIII конф. молодых ученых и специалистов НПО "Маяк". - Киев, 1990. - С.46-48.

8. Денисов А.И., Сиренко С.М., Войтенко В.П., Шмаров A.A., Гордиенко В.В., Величко H.A., Савенко A.B. Система электропитания для линейного двигателя .- В кн.: Проблемы преобразовательной техники// Тр. 5-й Всесоюз. конф. - Киев: Ин-т электродинамики. - 1991.-4.4.-С. 34-35.

9. A.c. 1552290 (СССР), Н 02 Р 7/48. Устройство для управления и стабилизации параметров выходного напряжения преобразователя/ А.И. Денисов, В.В. Гордиенко, В.П. Войтенко, A.A. Шмаров (СССР). - №4382773/24-07; Заявлено 25.02.88; - Опубл. 23.03.90, Бюл. №11. -4 с.

10. A.c. 1525596 (СССР), МКИ G 01 R 19/02. Устройство порогового контроля среднеквадратического значения переменного напряжения/ В.П. Войтенко, А.М. Первак (СССР). -№4219254/24-21; Заявлено 01.04.87; Опубл. 30.11.89, Бюл. №44. -4 с.

11. A.c. 1319269 (СССР), Н 03 К 17/56, 17/60. Многоканальный коммутатор/ А.М. Архипов, В.П. Войтенко, В.Г. Лазаренко, В.К. Липницкий (СССР).- №3998034/24-21; Заявлено 2.01.86; Опубл. 23.06.87, Бюл. №23 - Зс.

АНОТАЦІЇ

Войтенко В.П. Пряме мікропроцесорне керування імпульсним перетворювачем в системах точного позиціювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю

05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено проектуванню прецизійних систем лінійного переміщення, що базуються на прямому мікропроцесорному керуванні імпульсним перетворювачем, який навантажений на лінійний електродвигун постійного струму (ЛД). Специфіку ЛД, що впливає на динамічні процеси в цифровій системі позиціювання, враховує синтезований цифровий регулятор, для якого розроблено методику визначення кроку дискретизації і досліджені різноманітні методи регулювання напруги живлення. Вироблено рекомендації по підвищенню швидкодії системи зі збереженням заданої точності, що враховують вплив дестабілізуючих чинників. Результати теоретичного аналізу і синтезу динамічних характеристик системи підтверджено в результаті експериментальних досліджень і комп'ютерного моделювання. Основні результати роботи знайшли практичне впровадження при проектуванні комплексу для розмітки магнітних дисків із поліпшеними техніч-

ними характеристиками.

Ключові слова: система позиціювання, мікропроцесорне керування, лінійний електродвигун, імпудосний перетворювач.

Voytenko V.P. Direct Microprocessor Control of the Pulse Converter in Precise Positioning Systems. - Manuscript.

Thesis for Ph.D.’s degree in speciality 05.09.03 - Electrical Engineering Complexes and Systems.

- The Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis focuses on designing of precise positioning systems based on direct microprocessor control of the pulse converter, which is loaded on the linear D C. motor (LDCM). Synthesised digital regulator accounts the LDCM specialty that influences dynamic processes in digital positioning system. Procedure of determination of digitisation step is developed and different methods of control of the power supplying voltage are explored. Recommendations for the system speed of response with the saving of the specified precision that take account of destabilising factors are worked out. The main results of the thesis are practically used in design of the servowriter with enhanced technical characteristics.

Key words: positioning system, microprocessor control, linear D.C. motor, pulse converters.

Войтенко В.П. Прямое микропроцессорное управление импульсным преобразователем в системах точного позиционирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена разработке алгоритмов и аппаратной реализации прямого микропроцессорного управления линейным двигателем для устройств точного позиционирования на основе исследования динамических процессов в системе широтно-импульсный преобразователь -объект управления.

Несмотря на вытеснение электромеханических устройств из некоторых традиционных технологических процессов, сферы управления и обработки информации, компьютеризация увеличивает потребность в прецизионных механизмах, реализующих линейное перемещение активного элемента. Такие механизмы используются в устройствах ввода и вывода графической информации, а также во внешней энергонезависимой памяти на магнитных и оптических дисках, без которой не обходится ни один современный компьютер. Необходимая точность позиционирования составляет единицы микрометров при времени позиционирования, равном десяткам миллисекунд. В известных работах, посвященных проектированию устройств позиционирования, не в полной мрре учтены возросшие требования к качественным показателям этих устройств, а также возможности

современной элементной базы силовой и информационной электроники в достижении высокой точности управления. Поэтому задача разработки научно-обоснованной инженерной методики проектирования прецизионных систем линейного перемещения, базирующихся на новейших достижениях силовой электроники и микропроцессорной техники является актуальной. Удовлетворение множества требований, предъявляемых к таким системам (в том числе, - по энергетической эффективности, удельным характеристикам и надежности), возможно лишь за счет применения соответствующих алгоритмов управления, эффективно реализуемых с помощью микропроцессоров. В свою очередь, разработка корректных алгоритмов управления возможна на основе строгого анализа динамических свойств отдельных звеньев системы и особенностей их сопряжения.

В этой связи проведено исследование комплекса теоретических вопросов, учитывающих особенности динамических процессов в системе позиционирования.

Рассмотрены и обозначены наиболее перспективные методы формирования линейного перемещения. Анализ показал, что координата перемещения подвижного элемента линейного двигателя (ЛД) в первом приближении описывается дифференциальным уравнением третьего порядка, на основании чего предложена схема моделирования ЛД, позволяющая анализировать систему методом пространства состояний и оценивать переходный процесс ускорения, скорости и положения каретки, тока обмоток, противоЭДС при воздействии на обмотки разнообразных напряжений.

Выполнен синтез цифрового регулятора по критерию быстродействия. Разработаны рекомендации по выбору шага дискретизации и предложена методика его определения, исходя из заданной координаты позиционирования. Для упрощения программной и аппаратной частей системы позиционирования без заметного снижения точности предложен упрощенный вариант передаточной функции цифрового регулятора и его программная реализация.

Рассмотрены различные методы регулирования напряжения питания ЛД - амплитудноимпульсная, комбинированная, время- и широтно-импульсная модуляция, проведено их сравнение, на основании чего даны практические рекомендации по схемотехнической реализации системы управления реверсивноым широтно-импульсным преобразователем.

Для системы с АИМ питающего напряжения разработана общая методика расчета параметров координаты позиционирования, а для системы с ШИМ, как существенно нелинейной, аналогичные результаты получены на основе численных расчетов. Разработаны рекомендации по учету сухого трения, что позволяет снизить ошибку позиционирования, связанную с задержкой изменения механических координат на соответствующую величину. Предложены рекомендации по повышению быстродействия микропроцессорных систем позиционирования. На основании расчетов выполнен анализ возможных погрешностей и сформулированы требования к системе слежения.

Для снижения погрешности и времени позиционирования напряжение питанця ЛД предложено формировать в виде скачкообразно-линейных импульсов. При этом упрощается анализ сис-

темы, а также алгоритм управления при позиционировании на «большие» расстояния.

С целью проверки достоверности полученных теоретических результатов проведены экспериментальные, исследования разработанной системы, для чего спроектирован, собран и отлажен специальный стенд СРПС-96. Стенд включает в себя реверсивный широтно-импульсный преобразователь со схемами питания и согласования силовых ключей, а также узел однокристального микроконтроллера. Программа поддержки последовательного интерфейса 115-232 позволяет организовать взаимодействие с источником информации (персональным компьютером), для которого разработано соответствующее программное обеспечение - программа “МОМ1Т(Ж-96”. Стенд позволяет разрабатывать аппаратное и программное обеспечение различных систем управления на основе однокристальных микроконтроллеров семейства МС.5-96 фирмы 1тс1. Результаты теоретических исследований, физического моделирования и испытаний системы на экспериментальном стенде позволили разработать аппаратное и программное обеспечение системы автоматического позиционирования магнитных головок, используемой в составе комплекса для разметки жестких магнитных дисков и установить возможность алгоритмической компенсации трудно учитываемых особенностей ЛД в системе с обратной связью по положению в процессе реализации предложенных адаптирующих алгоритмов.

Разработанная система позиционирования внедрена в НИИ Электромеханических приборов (г. Киев), а экспериментальный стенд вместе с прикладным программным обеспечением используются в учебном процессе Черниговского государственного технологического университета на кафедре промышленной электроники.

Ключевые слова: система позиционирования, микропроцессорное управление, линейный двигатель, импульсный преобразователь.