автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов цифрового управления системой "импульсный усилитель-двигатель"

р - .-ГаСУДАР'цТБЕННШ КОККТЕТ российской федерации по высшему

ОБРАЗОВАНИЮ

Московский Государственный авиационный институт ( технический университет )

На правах рукописи

КириллоЕ Алексей Анатольевич УДК: 6Б1.5.034, 681.5.013.

Разработка и исследование алгоритмов цифрового управления системой "импульсный усилитель-двигатель".

спей. 05.09.03 "Электротехнические комплексы и системы, вкачал их управление и регулирование". 05.02.03 "Системы приводов".

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук ' »

Москва, 1995 г.

Работа выполнена в Московском Государственном авиационном институте ( техническом университете ).

Научный руководитель к.т.н. доцент Полое Б.Н.

Официальные оппоненты:

Медведев Владимир Степанович, д.т.н., профессор кафедры М-7, МГТУ, Москва.

Поплавко Владимир Михайлович, к.т.н., доцент кафедры 306 МАИ, Москва.

Ведущее предприятие:

Акционерное общество "Аэроэлектрик", г. Москва.

Защита диссертации состоится "_"_ 199 г. на заседании диссертационного Совета Д 053.18.09 при Московском го -сударственном авиационном институте (техническом университете ) по адресу. Москва, Волоколамское шоссе, 4.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке Московского Государственного авиационного института.

Отвыв на автореферат в двух экземпляре,заверенный печатью, просим выслать по адресу: 125871, ГСП, Москва, Волоколамское шоссе, 4, Ученый совет. Ученому секретарю диссертационного Совета Д 053.18.09.

Автореферат разослан "_"_ 1995 г:

Ученый секретарь диссертационного совета Д053.18.09.

к.т.н., доцент

А.Б. Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие теории и практики, элементной бааы и средств автоматизации расширяет область применения регулируемого электрического привода (ЭП), широко использующегося в самолето -строении, космической, вычислительной, радио - и робото-технике. Традиционные принципы и устройства построения не отвечают требованиям к энергетическим, статическим и динамическим параметрам, объему и ресурсу работы ЭП. Потребность в новых системах требует адекватных научных и практических шагов по поиску новых методов и технических решений. Это приобрело особое значение в нестационарных установках с автономными источниками питания, где сложно решаются проблемы минимизации расходов энергоресурсов, габаритно -массовых показателей при высоких эксплуатационных требованиях.

Вопросами анализа и синтеза структуры, адаптивного и подчиненного регулирования, разделения задач управления исполнитель -ными механизмами (ИМ), исследования свойств ЦИФРОВОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА (ЦСП) при создании надежных приводных систем занимались В.А. Бесекерский, А.М.Федоров, Я.З. Цыпкин, Б.К. Чемоданов, И.В. Прангишвили, Л.В.Рабинович, В.П.Петухов, А.В.Башарин и другие.

С.Г.Герман-Галкин, Н.Ф.Ильинский, В.А.Сердюк, В.Ф. Козачен-ко, Б.Н.Попов и др. занимаются применением ЭВМ различных уровней и многопроцессорных систем. Несколько СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МИКРО -ПРОЦЕССОРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЕН (СМВ) или КОНТРОЛЛЕРОВ (СМК) ( рис.1), раздельно реализующие медленные и быстрые алгоритмы, обеспечивают принцип ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО управления. Отсутствие традиционных аналоговых устройств и линий передачи сигналов, между СМК и уси -лителем мощности "повышает точность,быстродействие, снижает энергетические затраты и габаритно-массовые показатели. СМВ стал модулем канала управления, элементом, обеспечивают^ оптимизацию

-к -

параметров и динамических свойств, адаптивность и гибкость сис -темы к решению различных задач управления. Отмеченному соответ -ствуют ДСП с силовыми КЛЮЧЕВЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ МОЩНОСТИ (КУМ).

Широкое применение в приводных системах с ИМ малой мощности получило широтно-импульсное управление. Это обеспечивает вы -сокий К.П.Д. ключевых элементов (КЭ), работающих в режиме пере -ключения. Но существуют и недостатки это: сквозные токи и нагрев транзисторов КЭ, повышение энергоемкости и снижение ресурса ра -боты КУМ и системы в целом. Вопросы схемотехники и собственных свойств, потерь энергии и моделировавания транзисторов и КЭ из -ложены в работах ряда авторов: Ю.И. Конева, Е.К. Васильева, B.C. Моина, О.А.Коссава, Е.С.Грейвера, Г.М.Веденеева и др.

Научные и технические поиски повышения энергетических воз -мощностей, габаритно-массовых показателей и ресурса работы силового канала, в частности КЭ импульсного усилителя, проводятся в различных направлениях. Для снижения потерь энергии КУМ Т.А.Гла-зенко, Б.И. Петров, В.А. Полковников предлагают законы несимметричной и поочередной коммутации КЭ; а М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М.Остреров - раздельные законы коммутации, разработка и мате -матическое выражение которых не доведены, до логического конца с позиции минимизации реализации. В.Н. Ногин предлагает применять теплоотводные радиаторы. Проектируются КЗ с залщтой транзисторов от перегрузок по току, напряжению. Для защиты от сквозных токов предлагают: Н.И.Лаптев, Л.Н.Седов - положительную обратную связь при управлении верхними транзисторами КУМ, позволяющую шунтиро -ванием резисторами переходов база - эммитер запирать их в режиме короткого замыкания; В.А.Полковников - токозащищающий дроссель с

токоограничивакзщими резисрами; Е.В.Машуков - разнесение во Ере -мени процессов переключения КЭ стоек реактивными элементами или задержку нарастания тока коллектора; Г.С.Алексанян, В.А.Синишн-задержку и блокировку сигналов управления КЭ •триггерными уст -ройствами в выходных каскадах на время завершения процессов г.е -реключения в транзисторах; В.А.Полковников, В.П.Паппе - нелинейную положительную обратную связь; датчики контроля: состояния плечей КУМ с блокирующим элементом (Г.Г.Соколов); скорости (Н.П. Кузнецов); тока с аналоговыми пороговыми и логическими элементами задержки. Это ведет к техническому усложнению и необходимости проектирования и специвлъного расчета устройств управления и КЭ.

Совершенствование возможно при использовании иного уровня развития, направлений которые еще не разработаны в теории к на практике проектирования автоматизированных цифровых ЭП.

Содержание диссертации связано с завершенными НИР: тема N 702-91-01, выполнявшейся по постановлению Государственного комитета по науке и технике СССР N 1173 от 12.08.91 г.; тема N 702 -92-07 "Конверсия", выполнявшейся по решению N 383 от 29.06 52 г. по научно-технической программе "Конверсия" министерства науки, высшей школы и технической политики РФ; тема N 57960 "Джонка -МАИ", выполнявшейся по решению N 58 от 24.04.91 г. Государственного военно-промышленного комитета Кабинета Министров СССР.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработка МЕТОДИКИ синтеза минимального с позиции реализации цифрового управления процессом коммутации КЭ, исключающего сквозные токи и сникающего ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ в системе "импульсный усилитель-двигатель", с целью»улучшения статических, габаритно-массовых показателей и ресурса работы.

Поставлены следующие задачи исследования:

Разработать МЕТОДИКУ синтеза минимального цифрового управ -

ления процессом коммутации КЭ импульсного усилителя мощности.

Дополнить математическое описание процессов коммутации КЭ, позволяющее реализовать энерговыгодные законы коммутации, исключающие сквозные.токи. Сформировать требуемую МИНИМАЛЬНО-НЕОБХО -ДИМУЮ СИСТЕМУ ЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ (МНСЛП) традиционных и энерговыгодных законов коммутации ключевых элементов.

Получить МИНИМИЗИРОВАННЫЕ аналитические выражения управляющих логических функций ( УЛФ ) и напряжений на обмотке ИМ эако -нов, сочетающих требуемое управление и исключение сквозных токов в КУМ, и уменьшающих потери энергии в силовом канале системы.

Рассмотреть возможные СПОСОБЫ и СХЕМЫ цифрового управления энергоприводным модулем с двигателем постоянного тока

Разработать способы и ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА прак -тической реализации алгоритма цифрового управления системой.

Разработать пакет цифровых МОДЕЛЕЙ законов коммутации для системотехнического проектирования и оценки показателей системы.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Для решения поставленных задач применялись методы: булевой алгебры и карт Карно-Вейча; матема -тического моделирования; экспериментальных исследований, позво -ляющие получать минимальные выражения логических функций, оценивать временные и статические характеристики, получать информацию о показателях системы при работе в условиях реального времени.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Разработана методика синтеза МИНИМАЛЬНОГО цифрового управ -ления процессом коммутации КЭ системы "импульсный усилитель-двигатель", снижающего энергетические потери, повышающего статические, габаритно-массовые показатели, ресурс работы. Дополнено математическое описание процессов коммутации КЭ, позволяющее реа -лизовать энерговыгодные законы, исключающие сквозные токи. Сфор-

мирована требуемая МИНИМАЛЬНО-НЕОБХОДИМАЯ система логических переменных традиционных и энерговыгодных законов коммутации КЭ.

ОСНОВНЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Получены МИНИМИЗИРОВАННЫЕ аналитические -выражения управляющих логических функций и напряжений на сбмотке ИМ ааконов, сочетающих требуемое управление и исключение сквозных токов в КУМ.

Разработан пакет цифровых моделей законов коммутации, поз -воляющкй формировать структуры и оценивать свойства приводов.

Рассмотрены способы, законы коммутации КЗ импульсного уси -лителя мощности и схемы управления ДПТ.

Разработаны программно-аппаратные средства реализации алгоритма управления и экспериментального исследования системы.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Результаты подтверждены достаточно близким совпадением основных качественных и количественных характеристик экспериментального исследования макетного образца системы с результатами их цифрового моделирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в разработке методики синтеза цифрового управления процессом коммутации КЭ в системе "импульсный усилитель-двигатель". Дополнено математическое опи -саше процессов коммутации, позволяющее реализовать законы,обеспечивающие хорошую управляемость ИД и исключение сквозных токов. Сформирована требуемая МИНИМАЛЬНО-НЕОБХОДИМАЯ СИСТЕМА ЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ рассмотренных законов коммутации. Получены МИНИМИЗИ -РОВАННЬЕ аналитические выражения УЛФ и напряжений на обмотке ИД для законов, сочетающих требуемое управление и исключение сквозных токов и уменьшающих энергетические потери "в силовом канале.

НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Разработанные методика синтеза цифрового управления процессом коммутации КЭ и дополнение его математического описания в целях получения энерговыгодных ааконов комму-

-a -

тации, позволяющих исключить сквозные токи и уменьшить потери в силовом канале,позволяют расширить область возможных решений при ПРОЕКТИРОВАНИИ и построении приводных модулей типа "импульсный усилитель-двигатель". Полученные результаты могут использоваться для систем, используюших широтно-импульсное управление.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Разработан и предложен минимальный с позиции реализации алгоритм цифрового управления системой "им -пульсный усилитель-двигатель" с различными законами коммутации. Применение энергавыгодных законов исключает сквозные токи, сни -жает потери в КУМ и повышает ресурс работы, габаритно-массовые, статические и динамические показатели системы. Получены цифровые модели законов коммутации КЗ, позволяющие исследовать систему и получать информацию ой интересующих параметрах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы доложены на Всесоюзной межотраслевой научно-технической конференции "Приво -ды-90" 20.09.1990 г, Ленинград; на 3 Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы совершенствования систем и оснащения летательных аппаратов" 29-31 мая 1991, Москва; на Всесоюзных научно-технических семинарах "Системы управления, следящие приводы и их элементы" в ЦНИИ информации июнь 1991 г.,апрель 1994, Москва; на семинарах кафедры 702 МАИ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты работы использованы в учебном процессе каф. 702 МАИ по курсу "Электронные и микропроцессорные устройства систем приводов" (акт о внедрении от 3.4.1994 г.), в НИР МАИ ( акт о внедрении от 8.11. 1994 г. ) и НИР ГосНИИАС ( акт о внедрении от 5.12.1994 г. ).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации изложены в пяти печатных работах и двенадцати научно-исследовательских отчетах.

СТРУКТУРА И ОБЬЕМ. Диссертация состоит из введения, четырех

разделов, заключения, трех приложений, списка литературы из 92 названий, изложенных на 158 страницах, 90 рисунках, 31 таблицах.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ предложения по решению актуальной научной задачи повышения ресурса работы, энергетических, статических и динамических показателей, исключения сквозных токов в ключевых элементах системы "импульсный усилитель-двигатель", состоящие в разработке метода проектирования цифрового управления, минимизированных законов коммутации и использования возможностей канала управления, способных обеспечить расширение области применения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении раскрыты актуальность и значимость рассматриваемой проблемы, изложены основные научные положения, поставлены цель и задачи диссертации, предложены возможные пути решения.

Первый раздел посвящен вопросам разработки методики проек -тирования минимального цифрового управления системой "импульсный усилитель-двигатель", повышающего энергетические, динамические, статические, габарито-массовые показатели, ресурс работы и законов коммутации, исключающих сквозные токи в ключевых элементах.

При проектировании цифрового управления определяется МНСЛП законов коммутации, представляющая логическое выражение условий, уменьшение которых хотя бы на одно не позволит сформировать требуемое движение. Закон коммутации - временная последовательность совокупности аналитических выражений УЛФ, поступающих на КЗ усилителя и реализующих требуемую эпюру напряжения на обмотке ИМ.

Направление движения КМ определяется знаком сигнала управ -ления Uy и может быть Еыражено логической переменной: ("О, если Uy g. 1

]_1, если Uy i 0 ( 1 )

Скорость движения КМ Еырахается логической переменной дли -

длигельность которой пропорциональна модулю сигнала упраления:

Т - период широтно-импульсного сигнала; Ти - длительность сигнала управления Цу; к = 1,2,3,.- номер периода; t - текущее время.

Для перераспределения нагрузки по току и напряжению в триодах КУМ может определяться период коммутации стоек моста: ГО, если 2( к-1 ) Т < I 4 ( 2к-1 ) Т

1_1> если 2( к-1 ) Т < I 2 к I ( 3 )

При совместном управлении КЭ разных направлений на обмотке ИМ формируются однополярные или разнополярные импульсы требуемого знака с замыканием обмотки накоротко на интервале паузы (за -коны симметричной, несимметричной, сигнатурной, поочередной коммутации КЭ). При раздельном управлении обмотка на интервале паузы сунтируется вентилем односторонней проводимости .- диодом (законы несимметрично - и поочередно - модифицированной коммутации КЭ), минимизированные выражения УЛФ которых получены в работе. Но при этом возможны режимы прерывистого тока и соответствующие участки механических характеристик становятся нелинейными, тор -могные процессы имеют специфический характер, требующий особого изучения. УЛФ рассмотренных законов представлены в таблице 1.

Для исключения сквозных токов и снижения энергетических потерь в КУМ предложено синтезировать специальные законы коммута -цик. Для этого надо задержать поступление УЛФ на соответствующие КЭ на время Т1 ( завершения процесса переключения в других КЭ ), формируемое как: 1) постоянная величина в начале и в конце каж -дого периода сигнала управления-,2) функция тока коллектора транзисторов, учитываемая по заднему фронту процесса переключения. Т1 равно сумме Бремен рассасывания зарядов в базе Тр и спа-

1, если ( к-1 ) Т < I 4 ( к-1 ) Т + Ти О, если ( к-1 ) Т + Ти< I ч< к I

( 2 )

"■С:

да тока коллектора Тс, а соответствующая логическая переменная: ' 1,если (к-1)Т<и(к-1)Т^Т1 или (к-1)ЬТи<и< (к-1)Т->-Ти+Т1 .С,если (к-1)Т+ШЫ(к-1)Т+Ти или (к-1)>Ти+Т1<икТ ( 4 ) При раздельном управлении одновременное переключение КЭ воаможно в момент изменения знака 1)у, а логическая переменная выразится: если 50 Ц = О

если ББ 4=1 ( 5 )

Отношение времен задержки и сигнала управления обозначим^» Т1/Ти = Ч/Ь и назовем глубина задержки. Тогда интервал паузы при коммутации разбивается на дга отрезка: Т1 с раздельной и Тп-Т1 с совместной коммутацией КЭ. При условии что в интервале Тп-Т1 ток якоря спадет до нуля,также возможен режим прерывистого тока. Назовем полученные законы "комбинированные". УЛФ соответствующих эаконсз коммутации ключевых элементов представлены в таблице 2.

Проблема исключения сквозных токов решается проектированием ааконсв коммутации, имеющим преимущества по сравнению с извест -ными путями реализации: 1) ке усложняются схемы КЭ и управления КУМ, е результате введения дополнительных аппаратных средств; 2) возможно регулировать либо программировать длительность задержки в зависимости от типа транзисторов или условий работы системы.

Второй раздел посвящен цифровой реализации алгоритмов им -пульснсго управления ИМ и определению критериев их выбора.

Алгоритм реализации цифрового управления следующий: выделение знака и модуля кода управления; формирование минимально не -абходиуой системы логических переменных ( Б6, Ц, У, Ь или 11 ) и синтез управляющих логических функций (111-114) "закона коммутации КЭ. Разработанные в процессе диссертационной работы программно -аппаратные средства цифрового управления реализованы АППАРАТНО ( в виге устройств сопряжения ОДНОКРИСТАЛЬНОГО микроконтроллера

h P l-J V tvl • 1 ' • 5- <\i ï> il ü i il 4 M и H " • 5 S 3 S 5 ¿ > is Sj a ч ъ. Ы > N r» il il ü ■ ■ ■ • S 3 3 S s ^ s sí s 4

fï i' . M 1-1 M '-j » « • V. л es-ü Ü ij M , 14) lû 10 н • ■ . M <\J Ю i». 51 3 i Сз 1-4 ÍS ^ h " " Il V M m ^ il il il il M l!3 SS !§ 15 * ч • « £ M p ir iJ il il il К? $ 3 IJ° « « • « >, <\J н-> Cï- il s i is .¿ «o to its 'w ч 4 • « « « 5 Sí 3 §

"S" là I--J I~1 t^J- .Ivl ч «э ita сэ и " . s «V Ю г*. a Ci s Ü .. .. .'-1 .-J s 1» 'ti О * H .11 ti S 'S! JO <>> •-1 Ü Î3 ÏJ l-J v ^ IC3 es ■ ■ « и 5; CJ -о g- ïs -J il ïi 1 -J KJ C3 <=> I¿ £ <5 > « M ■Or «5, «¿j ley >»• V. 1*- Il ■ « я S 3 3 à V ^ 4. Cl ■ " • * v. *> а i1 5i G ó ^ ^ > ш ■ 4 к 5 Sí 3 s

* & 4 î ï ï 4 V * 4 <5 ? tï ö lc? to .G, l'-s •SI ia. b. ^ l-j i-j i.j -V- ^ ^ ü ^ •-» l-J <5 6, 'О О ilß № U> Ijû 1 O^J WJ V 4 Í, » a a a 3 -v ~v ^ 'S" 4 'ï 4Ü «S 'S ^ «â ^ 51 «1 ¿ il =1 ca ? ^^ 4 >- «г ib ^ fc? {§ $ —î. -i » -ï. и "Cr •t. J. vi« la ^ 'Ö 'ï Î Í 3 3 3 S Vi l^J CS |Ю ¿ ib 'ю «o 5 . - " « > í> »-ïs ii ^ a 6 ^ es CJ > —■ >___ «ï O T3 0 ¿ ¿ i*0 ">5* ÍS no Ц 4 " i4 • и • ■ oj »0 ^

vnnnnAujuum П1ЧНЬП(1ШЗИИП03Н VWHd»sj.VHjH3 niiHQadabOou din рои - H un 33H œriot ргазлдв,

^ 15 lè i # и 1 V- f\> »0 ^ ^ 3 a 11 ti ч ti 5 S 3 3 ^ >, « , ■ > "AJ *0 ^ ^ s а V. ts. -M « I < < V <\J »О S i ^ S ^ VI II M h « >- *M ^ ^ il а . W «я С • « « • 5 2¡33

t Г- V^r lio U) U) |\5 >- fy "1 » a á a ^ 113 Ъ' V) Iis 'S ч ,co it II II h V U 1 ^ а ^ ï» lio lo Ъ Ito jto 10 «о • к « а V (у lO ^ S S а 5 IS 5 5 ^ ■ > < ' ^ s а э i m V) V) № ■v) lo 4 lu) y < h • ■V, ЛЛ Ks il i il ^ 15 5 ÎS lí * ' " 1 >. ¡y ¡o 2 а а ii -

> >• A % ^Evir ICJ IQr . , i. « v.. *\j . 5x =1 « « « » i & 1Л 3 V ч та ч , • i . 2J «Э » =1. S ai ^ «S Су 1er la IÖ >. I>, >. к 1 « « ÏO 53- ■a =1 ii ÏI V » «1 0 4 * 4 » 533s i>.' ; >r ti * ч l .•i 5 3 3:

? 0 5 'S ^ Cï ^ lo Xó Ъ Ъ W M > » > >. çj <=5 'i? 1» Ijg » » • ^ 5. »> i» ti -s ^ ca ^ <5r Cï Q, Ъ Ъ |¿ lib «-5 «о ко 1 ч N II ■ ■ v. m »0 а Ъ ^ ^ ^ V) •ь »о > С? ^ I2S ■ « > я ti а м а ö й Ч й IS 5 ЛИ? > > >. > Icy 1<=Г • • • • V tu « 5 s il s |Ъ \b is № Iv) «0 ,vo n 11 ■ • rj «3- а i 1 s --1 f^, r>- l>- 5 IX > > ö a ^ c Ъ S Í3 к « H « 1 V 5 5 ■ il il -

1 1 tJIIH -hnaujsuynj IJI4H ■ЬпЫшянипз ЭН «wHO61VHJM3 ппнрзс/эпоои -$¡&nbnd>nean ■OHhhdw* ШПЗЗН -сдан- 0HQ*f3t

-1J-

управления с жесткой задачей управления к ода' OJ.A. -.;! • J -к- -»н-троллера с возможностью перепрограммировании г-члн-- vnpi-*- к

ПРОГРАММНО -.с размещением программного с-спич-н;:- в :•!'!; "А Г.'.-Ч )!.' запоминающем устройстве (ЭВМ) и в ПОСТОЯННОМ ?..?.:: v "г -

ройстне (микро-ЭВМ)). Программное обеспечение псгггзлдет и^.'л^до-вать указанные устройства в условиях реального и приме -

нять 2 промышленных системах "импульсный усилитель-двигатель".

3 приложении N 1 приведены программы. реализующие алгоритмы цифрового управления для различных видов систем "импульсный усилитель-двигатель" и законы коммутации ключевых элементов, напи -санные на языке Макро-ассемблер, в количестве 12 единиц.

Третий раздел посвящен исследованию сеойсте энергопрпвсдно-го модуля с цифровым управлением с помощью моделирования.

Разработана система цифровых (логических) моделей рассмот -реннкх в работе законов коммутации КЭ. Б среде структурного мо -делирования TUTSIM получен комплект согласованных программ гало-нов коммутации, реализована модель двигателя постоянного тока, позволяющая исследовать его собственные свойства и режима р.реры- <-вистых токов, получена модель системы "импульсный усилитель-двигатель". Модели приведены в приложении N'\ 2 в количестве 9 еди -ниц. Злоки в среде TUTSIM определяются совокупностью разностных и дифференциальных уравнений, синтезируемых в математические модели звеньев и системы в целом. TUTSIM адаптировала к OEM типа IBM ?0, просто реализуема, наглядна и предоставляет возможность изменять и исследовать влияние параметров на свойства системы.

Проведено математическое исследование механических и дина -мических сзойсте системы с цифровым управлением "импульсный усилите ль-ДПМ 30-H3-01" для различных законов при Ку равном 40,110, 160 (рис.2). Относительные изменения (е процентах ) имеют вид:

кзд управления * закон коммутации 40 110 160

Л И Тс 51 К Тс Л м Тс

несим.-несим. модифиц. 16 - 15 10 - 10 5 - 5

поочер.-поочер.-модиф. 16 - 15 10 - 10 5 - 5

несим,- комо. несимм. 5 14 4 3 8 3 1 3 2

поочер.-комб. поочер. 5 14 4 3 8 3 1 3 2

Анализ результатов моделирования позволяет сделать выводы:

1) изменение (ошибка в отработке) средних скорости и момента системы зависит от Л. Увеличение ведет к увеличению ошибки. ПриЛ=1 еыходной вал находится в состоянии покоя, а ошибка будет максимальной;2) механические характеристики с модифицированными, I а при больших Аи с комбинированными законами коммутации имеют нелинейный характер в зоне малых моментов, что обусловлено работой двигателя системы в режиме прерывистой функции тока.

Четвертый раздел посвящен исследованию энергетических, статических, динамических показателей системы с цифровым управлением "импульсный усилитель-ДПТ" при различных законах коммутации.

Рассмотрена схема полупроводникового усилителя с активно -индуктивной нагрузкой и шунтирующим диодом. Энергетические потери в транзисторах складываются из собственных потерь и от сквозных токов. Собственные потери равны сумме потерь областей коммутации, открытого состояния и отсечки. Потери в КУМ складываются иэ потерь в работающих, постоянно открытых и запертых транзисторах. Потерями в запертом состоянии можно пренебреч (из-за малого значения тока коллектора). Потери равны сумме потерь коммутирующихся и постоянно открытых транзисторов, равные на одном периоде

Опер = Рмах -^Цу—- ( 6 ) Цнас = Цотк = 11кэ 1ср Ти ( 7 ) Рмах=1!кэмах 1кмах-максимальные потери мощности в переключающемся транзисторе; икэ-падение напряжение на переходе коллектор-эмитер

-ЛЬ-

?:щрливв rvnnnrr». лчмгят^пв

TIITSÎIM

5««.UUUW

(Oí.uuuu

V1U.UUUU

!

1 *i

1ч ¿

1Л Nív 1

t- -^Sv !

с 'J

1\ Л

! \ •

!

4 - законы и поочеее^-о^. ком- i

НчТМЦЛ* КЗ. 2 - Законы нЕСиннетРинчо-моД^к\цир^?>Анной и i

ПООЧеРЦ^ЧОЧ^М^ИЦШиЙАИиои К£>ММу»ТКЦНИ КЗ. J

3- ИЕсипчечРичиом v\

kôwemhwoîîîahvom »чх^ерсдххл ком стации КЭ. >

ч»

JbU.UUÜU

1ИУ.uuuu

I

' M

KA

k\

Ь

I ^

з

и.uuuu

СрсДнИЙ НОмбнТ днир ôТбпй

rvrumrTV лш<глтрла

9Ö0 .öööö

и .uuuu

tiitsim

. uuuu

bU .uuuu

3U.UUUU

y. uuuu

сткрытого триода; 1ср - среднее (или действующее) значение тока.

Законы несимметричной и поочередной коммутации регулируют распределение между транзисторами КУМ собственных энергетических потерь; комбинированные законы исключают сквозные токи; модифи -цироЕанные законы влияют и на потери собственные, и на потери от протекания сквозных токов в транзисторах КЗ усилителя мощности.

Тогда собственные потери в КУМ на интервале Тп=ИТ, где N=1, 2,3..- число переключений КЭ, расчитываются по выражениям:

закон коммутации КЭ

собственные потери энергии Окум

симметричнои несимметричной поочередной несимметрич.-модифиц. поочеред.-модифициров. комбиниров. симметрич. комбиниров. несимметр. комбиниров. поочередн.

4И Рмах Тн ^ + 4И Т Ш1ср

Рмах Тм*Тс- + 2И Т'ик1ср

2И Рмах Тц*Тг + 2И Т 11кэ1ср

N Рмах Тн^Та + N ( Т+Ти ) 11кэ1ср

N Рмах Тц^Тс + N ( Т+Ти ) N икэ1ср

4Ы Рмах Тц + 4Ы Т икз1ср (Т-2Т1)

2М Рмах Т" + 2Ы икэ1ср ( Т-2Т1 ) Тн чТс

2N Рмах

+ 2И икэ1ср ( Т-2Т1 )

В разделе исследовано влияние закона коммутации на энерге -тические потери ( нагрев транзисторов от времени работы ), ста -тические и динамические свойства системы с цифровым управлением "импульсный усилитель-двигатель". Был создан макет системы "ЗВМ-еакон коммутации-КУМ-ДПТ" и разработана методика снятия экспери-римента. Программы алгоритмов управления написаны на языке Макро Ассемблер. Была выбрана и реализована схема КУМ с коммутацией КЭ по переходу база - эмитер, силовыми транзисторами типа КТ 819Г и динамическим торможением двигателя при отсутствии сигнала управления. Время задержки Т1 определялось экспериментально и равно 10 мКс ( 1.5 % широтно-импульсного сигнала управления ).

Результаты 'исследования энергетических потерь в усилителе

-А7-

мощности при использовании в системе двигателя 1ПМ 141-180 представлены на рис.3, а относительные изменения е таблице.

код управления

закон коммутации 40 50 ::о 160

несимметричной - поочередной 5.8 3.2 3.3 2.2

несиммет. - несиммет.-модифицирован. 53 50 53 91

несиммет. - модиф.-поочер.-модифицир. ; .3 ? 2 1.4 1.2

симметрич. - комбинир. симметричный Г: :з - -

несиммет. - комбинир. несимметрич. * 3 15 15 I?

поочеред. - комбинир. поочередный 15 14 13

По результатам можно сделать выводы: 1) закон поочередной коммутации энергетически выгоднее закона несимметричной коммутации, т. к. за период широтно-импульсного управления энергетическая нагрузка распределена на четыре, а не на три ра; стающие КЭ; 2) при законах несимметрично- и поочередкс-молитицирсЕанный коммутации существенно меньше нагрев триодов, т.к. исключены сквозные токи и в два раза меньше число работающих г.г в течение кач -дого периода широтно-импульсного управления; £ применение ком -бинированных законов исключает сквозные т~ки в ЧЭ стс^к усилителя и уменьшает потери энергии в виде нагрева т:г_чгисттров.

На рис. 4 представлены механические /. рис. 5 регулировочные (при постоянных статических моментах нагрузки равных 5Х,35Х, 70X от номинального) характеристики системы с двигателем Л1М30-НЗ-01 для Ку равном 40, 110, 160 при различных законах коммутации.

Динамические свойства системы (зависимое?: переходного процесса реакции на скачок Ку = 40, 110, 16С: от гаконсг коммутации КЭ представлены на рис.6. Закрепление результат те прсведено фо -тографированием с использованием запоминавшего :сцил:графа 0 98. Относительные изменения момента, скорстти у. зремени выхода Тс

V«

' J** '

/У'' ■ ■

y. - •

h. m

r</Ufl

: i

* t г Г í , ' ,* • •

l'I

'c«

ft y ■ »

/У: i

tíí tío~

Рис.3

Тч-tv)

У:

s

У

Met •

и й ** ài о/ 7ii "¡¡g T*t 4

WM

i '

-1_I.

. -

I j / ' '»^•»"l'»!»' " " » oí ,» ut te tu n

' fW

код управления закон коммутации КЭ С 110

Л М Тс Л, | м Тс Л ,, 1 - ■ м-

поочеред.-несиммет. 3 .2 1 3 о 1 4 ; 1 г ; -т , - -

несим.-мод.-несим. 23 2: 14 24 25 ' * и 1 1

поочер.-мод.-пооч. 18 15 24 22 8 20 :: | -

комб. несим.-несим. 12 - - .1 10 о 3 :2 - о | ^ | "

комб. поочер.-пооч. 9 1 4 12 10 4 12 1

Сравнительный анализ полученных результатов позволяет сое -лать выводы: 1) регулировочные характеристики ксбинирсванных законов имеют аону нечувствительности равной Бремени задержки; 2) скорость и момент при законах несимметричной ниже, чем г.с/, вакс-нах поочередной коммутации, т. к транзисторы меньше нагреваются, выше стабильность выходных параметров, снижается падение напря -жения на их внутреннем сопрстивлении и повышается среднее значение напряжения на якоре; 3) скорость и момент при комбинирован -ных законах коммутации ниже, чем при траги.циокных для сснгмерн -мых с Т1 сигналах управления и выше при 7и>>Т1, т.к. стс/тству-т сквозные токи в стойках КУМ к "потери" напряжения на якоре ЛПТ.

В приложении N 3 представлены численные и осцилсграфическпе результаты экспериментальных исследований системы с цифровым управлением "импульсный усилитель-двигатель постоянного точа".

В заключении содержатся выводы по результатам работа, предложения по их использованию, научная и практическая значимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложена МЕТОДИКА синтеза цифрового управления процессом коммутации КЭ в системе типа "импул!о-ный усилитель-двигатель". Основа методики заключается е формировании минимальной совокупности условий, уменьшение которой хотя

î

* 5 4,1 5 s

e * » ? ГГКТТ* ГТГГ?

4 4 6 с a e » S, 5 1, —y-

w* •4 V <• «С

s > «Г P «tf s 4 Ht «f 9 С «r

« í « 3 ï

* A S «к *s ч s 1 ï i

"Щ •ê « ♦ - -

бы на одно не позволяет реализовать требуемое движение. Условия формализуются логическими переменными. Получаемая минимально необходимая система логических переменных определяет направление, скорость движения, закон коммутации ключевых элементов и т. д.

Дополнено математическое описание процессов коммутации КЭ, позволяющее реализовывать законы коммутации КЭ, сочетащие требуемое управление и исключение сквозных токов в стойках КУМ. В минимально необходимую систему вводится дополнительная логическая переменная, зависящая от времени завершения переходных процессов переключения транзистора. Это имеет преимущества: не усложняются схемы КЭ и управления КУМ; возможно задавать время задержки согласно типу используемых триодов и условиям работы системы. С позиции единого методологического подхода получены временные диаграммы эпюр напряжения на обмотке ИД, минимально необходимой системы логических переменных и управляющих логических функций рассмотренных законов коммутации. Получены соответствующие унифицированные минимизированные аналитические выражения УПРАВЛЯЮЩИХ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИИ и Н)ШРЯЖЕНИИ на обмотке двигателя.

Проведен анализ и систематизация СПОСОБОВ ЦИФРОВОГО управ -" ления энергоприводным модулем с двигателями постоянного тока и рассмотренными законами коммутации. Разработаны программно-аппаратные средства реализации цифрового управления с различными законами коммутации КЭ. Общий алгоритм состоит в выделении-знака и модуля кода управления, формировании минимально необходимой системы логических переменных и, наконец, синтезе управляющих логических функций закона коммутации ключевых элементов.

Разработан пакет согласованных цифровых моделей, позволяю -щий формировать и исследовать варианты цифрового управления с различными законами коммутации и системы в целом, получать ста -

тические механические и динамические характеристики. Результаты моделирования подтверждают эффективность предложенных законов.

Качественные и количественные результаты математического моделирования и экспериментального исследования энергетических потерь, статических и динамических свойств рассматриваемой сис -темы обосновывают применение комбинированных, законов коммутации.

В работе содержится новее решение актуальной практической и научной проблемы совершенствования цифрового управления энерго -приводным модулем в целях повышения статических, динамических, энергетических, габарито-массовых показателей и ресурса работы.

Разработанные комбинированные законы коммутации и программно-аппаратные средства реализации цифрового управления преобра -зователь код-управляющие логические функции могут использоваться в существующих приводах без изменения механических устройств. Преобразователь код широтно-импульсный сигнал и микроконтроллер управления требуют разработки и принципиального изменения конструкции. Их следует применять на вновь проектируемых системах.

Основные научные результаты опубликованы в работах:

1. Попов Б.Н..Кириллов A.A. Устройство сопряжения микро-?5М "Электроника-60" и исполнительного привода с ключевым усилителем мощности// Задачи моделирования и повышения динамических свойств автоматизированных приводов и их элементов.- М.: МАИ, 1939.

2. Попов Б.НКириллов A.A. Математическая модель и результаты моделирования ДСП с прес5разователем код-широтно-импульсный сигнал // Математические модели и методы цифровой обработки ин -формации е следящих приводах,- М.: МАИ, 1991,- .с.30-35.

3. Кириллов A.A. Алгоритмы микропроцессорного управления двигателем постоянного тока// Приводы-90: Тез. Всесоюзная межотраслевая научно-техническая конференция, Ленинград,1990,- с. 32.

4. Попов Б.Н., Кириллов A.A. Микропроцессорное управление ДПТ // Системы управления, следящии приводы и их элементы: Материалы семинара июнь 1990 г.- М.: Цнииинформации, 1990, - с. 23.

5. Кириллов A.A. Исследование энергетических потерь в ис -полнительном устройстве следящего привода с микропроцессорным управлением // Проблемы совершенствования оснащения летательных аппаратов: Tea. доклада 3 Всесоюзная научно-техническая конфе -{Зенция, 29-31 мая, М. : МАИ, 1992. - с. 26-27.

6. Попов Б.Н., Кириллов A.A. Микропроцессорная реализация импульсного управления двигателями постоянного тока//Электротех-ника, 2, 1994, с. 30-35.

7. '"Повышение динамичсеких свойств и надежности энергопри -водных систем на основе совершенствования аналоговых и цифровых методов управления". Отчет по НИР. Тема 702-08П, ГР.01.9.10.0400 97, все книга 2, М.: МАИ

этап 7 инв. N 153357, 1992, разд. 3, 4 , С.39 - 105

этап 8 инв. N 153357, 1993, разд. 5, с. 56 - 73

8. "Разработка и создание опытной партии однокристалльных микроконтроллеров электродвигателей". Отчет по НИР. Тема 702-9207, ГР.01920018640, М.: МАИ

этап 1 инв. N 153074, 1992, разд. 3, с. 106-141

этап 2 инв. N 153074, 1993, разд. 3, с. 38-34

9. "Разработка программно-аппаратных средств проектирова -ния однокристальных микроконтроллеров электродвигателей". Отчет ПО НИР. Тема 57960, М.: МАИ,